Berapakah Rasio Gelombang Berdiri Tegangan? Bagaimana cara menghitung VSWR?
"VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), adalah ukuran seberapa efisien daya frekuensi radio ditransmisikan dari sumber daya, melalui saluran transmisi, ke beban (misalnya, dari penguat daya melalui saluran transmisi, ke antena). ). " Ini adalah konsep VSWR. Lebih jauh tentang VSWR, seperti faktor-faktor yang mempengaruhi VSWR, dampak pada sistem transmisi, perbedaan dengan SWR, dll. Artikel ini dapat memberikan penjelasan secara detail.
Menurut Wikipedia, rasio gelombang berdiri (SWR) didefinisikan sebagai:
"ukuran pencocokan impedansi beban dengan impedansi karakteristik saluran transmisi atau pandu gelombang. Ketidaksesuaian impedansi menghasilkan gelombang berdiri di sepanjang saluran transmisi, dan SWR didefinisikan sebagai rasio amplitudo gelombang berdiri parsial di antinode (maksimum) ke amplitudo pada node (minimum) di sepanjang garis. "
SWR biasanya diukur menggunakan instrumen khusus yang disebut an Pengukur SWR. Karena SWR adalah ukuran impedansi beban relatif terhadap impedansi karakteristik saluran transmisi yang digunakan (yang bersama-sama menentukan koefisien refleksi seperti yang dijelaskan di bawah), meteran SWR yang diberikan dapat menafsirkan impedansi yang dilihatnya dalam istilah SWR hanya jika memiliki telah dirancang untuk impedansi karakteristik tertentu. Dalam praktiknya, sebagian besar saluran transmisi yang digunakan dalam aplikasi ini adalah kabel koaksial dengan impedansi 50 atau 75 ohm, jadi sebagian besar meter SWR sesuai dengan salah satunya.
Memeriksa SWR adalah prosedur standar di stasiun radio. Meskipun informasi yang sama dapat diperoleh dengan mengukur impedansi beban dengan penganalisis impedansi (atau "jembatan impedansi"), pengukur SWR lebih sederhana dan lebih kuat untuk tujuan ini. Dengan mengukur besarnya ketidaksesuaian impedansi pada keluaran pemancar, hal ini menunjukkan masalah yang disebabkan oleh antena atau saluran transmisi.
Ngomong-ngomong, jika Anda merasa belum pernah mengalami standing wave secara pribadi, kemungkinannya sangat kecil. Gelombang berdiri dalam oven microwave adalah alasan makanan dimasak tidak merata (meja putar adalah solusi parsial untuk masalah itu). Panjang gelombang sinyal 2.45 GHz adalah sekitar 12 sentimeter, atau sekitar lima inci. Nulls dalam radiasi (dan pemanasan) akan dipisahkan pada jarak yang mirip dengan panjang gelombang.
Koefisien refleksi adalah a parameter yang menjelaskan seberapa banyak gelombang elektromagnetik yang dipantulkan oleh diskontinuitas impedansi dalam media transmisi, sama dengan rasio amplitudo gelombang yang dipantulkan ke gelombang datang. Koefisien refleksi adalah kualitas yang sangat berguna saat menentukan VSWR atau menyelidiki kecocokan antara, misalnya, pengumpan dan beban. Huruf Yunani Γ biasanya digunakan untuk koefisien refleksi, meskipun σ juga sering terlihat.
Koefisien Refleksi
Menggunakan definisi dasar dari koefisien refleksi, dapat dihitung dari pengetahuan tentang insiden dan tegangan yang dipantulkan.
Kembali kerugian adalah hilangnya daya sinyal karena pantulan atau pengembalian sinyal oleh diskontinuitas dalam tautan serat optik atau saluran transmisi, dan satuan ekspresinya juga dalam desibel (dB). Ketidakcocokan impedansi ini dapat terjadi dengan perangkat yang dimasukkan ke dalam saluran atau dengan beban terminasi. Selain itu, return loss adalah hubungan antara kedua koefisien refleksi (Γ) dan rasio gelombang berdiri (SWR), dan selalu merupakan angka positif, dan return loss yang tinggi adalah parameter pengukuran yang menguntungkan, dan biasanya berkorelasi dengan penyisipan yang rendah. kerugian. Kebetulan, jika Anda meningkatkan kerugian pengembalian, itu akan berkorelasi dengan SWR yang lebih rendah.
Hilangnya sinyal, yang terjadi di sepanjang sambungan serat optik, disebut kerugian penyisipan. Kehilangan penyisipan, bagaimanapun, adalah kejadian alami yang terjadi dengan semua jenis transmisi, apakah itu data atau listrik. Selain itu, seperti pada dasarnya semua jalur transmisi fisik atau jalur konduktif, semakin panjang jalurnya, semakin tinggi kerugiannya. Selain itu, kerugian ini juga terjadi pada setiap titik sambungan di sepanjang saluran, termasuk sambungan dan konektor. Parameter pengukuran khusus ini dinyatakan dalam desibel dan harus selalu berupa bilangan positif. Namun, seharusnya, tidak berarti selalu, dan jika kebetulan, itu negatif, itu bukan parameter pengukuran yang disukai. Dalam beberapa kasus, kerugian penyisipan dapat muncul sebagai pengukuran parameter negatif.
Rugi Pengembalian & Rugi Sisipan
Jadi sekarang, mari kita periksa diagram di atas secara rinci sehingga kita dapat memperoleh pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana interaksi kerugian penyisipan dan pengembalian kerugian. Seperti yang Anda lihat, daya insiden mengalir ke saluran transmisi dari kiri hingga mencapai komponen. Setelah mencapai komponen, sebagian dari sinyal dipantulkan kembali ke saluran transmisi menuju sumber asalnya. Juga, perlu diingat bahwa bagian sinyal ini tidak masuk ke komponen.
Sisa sinyal memang masuk ke komponen. Di sana sebagian diserap, dan sisanya melewati komponen ke saluran transmisi di sisi lain. Daya yang keluar dari komponen disebut daya yang ditransmisikan, dan lebih kecil dari kekuatan insiden karena dua alasan:
① Sebagian dari sinyal akan dipantulkan.
② Komponen menyerap sebagian sinyal.
Jadi, secara ringkas, kami menyatakan kerugian penyisipan dalam desibel, dan ini adalah rasio daya insiden terhadap daya yang ditransmisikan. Lebih lanjut, kami dapat menyimpulkan bahwa return loss, yang juga kami nyatakan dalam desibel adalah rasio kekuatan insiden terhadap daya pantulan. Oleh karena itu, kita dapat melihat bagaimana dua jenis parameter pengukuran kerugian membantu mengukur secara akurat efisiensi keseluruhan dari sinyal dan komponen yang dapat diukur dalam sistem atau jalur tembus.
Dalam praktik elektronik saat ini, dalam hal penggunaan, kerugian kembali lebih disukai daripada SWR karena memberikan resolusi yang lebih baik untuk nilai gelombang pantul yang lebih kecil.
3) Apa itu Pencocokan Impedansi
Pencocokan impedansi adalah merancang sumber dan impedansi beban untuk meminimalkan pantulan sinyal atau memaksimalkan transfer daya. Di sirkuit DC, sumber dan beban harus sama. Dalam rangkaian AC, sumber harus sama dengan beban atau konjugat kompleks dari beban, tergantung pada tujuannya. Impedansi (Z) adalah ukuran perlawanan terhadap aliran listrik, yang merupakan nilai kompleks dengan bagian nyata didefinisikan sebagai hambatan (R), dan bagian imajiner disebut reaktansi (X). Persamaan untuk impedans adalah menurut definisi Z = R + jX, di mana j adalah unit imajiner. Dalam sistem DC, reaktansinya nol, jadi impedansinya sama dengan resistansi.
Rasio Gelombang Berdiri Tegangan (VSWR) adalah indikasi jumlah ketidakcocokan antara antena dan saluran umpan yang menghubungkannya. (Klik di sini untuk memilih produk antena kami) Ini juga dikenal sebagai Standing Wave Ratio (SWR). Kisaran nilai VSWR adalah dari 1 hingga ∞. Nilai VSWR di bawah 2 dianggap cocok untuk sebagian besar aplikasi antena. Antena dapat digambarkan memiliki “Kecocokan yang Baik”. Jadi ketika seseorang mengatakan bahwa antena tidak cocok, sangat sering itu berarti nilai VSWR melebihi 2 untuk frekuensi yang diinginkan. Return loss adalah spesifikasi lain yang menarik dan dibahas secara lebih rinci di bagian Teori Antena. Konversi yang umumnya diperlukan adalah antara return loss dan VSWR, dan beberapa nilai ditabulasikan dalam bagan, bersama dengan grafik nilai-nilai ini untuk referensi cepat.
Mari kita lihat video sekilas tentang VSWR!
2) faktor Mempengaruhi VSWR
· Frekuensi
· Pembumian antena
· Benda logam terdekat
· Jenis konstruksi antena
· Suhu
3) SWR vs VSWR vs ISWR vs PSWR
SWR adalah sebuah konsep, yaitu rasio gelombang berdiri. VSWR sebenarnya adalah cara Anda melakukan pengukuran, dengan mengukur tegangan untuk menentukan SWR. Anda juga dapat mengukur SWR dengan mengukur arus atau bahkan daya (ISWR dan PSWR). Tetapi untuk sebagian besar maksud dan tujuan, ketika seseorang mengatakan SWR yang mereka maksud adalah VSWR, dalam percakapan umum mereka dapat dipertukarkan.
· SWR: SWR adalah singkatan dari rasio gelombang berdiri. Ini menggambarkan tegangan dan gelombang berdiri saat ini yang muncul di saluran. Ini adalah deskripsi umum untuk gelombang berdiri arus dan tegangan. Ini sering digunakan dalam kaitannya dengan meter yang digunakan untuk mendeteksi rasio gelombang berdiri. Baik arus dan tegangan naik dan turun dengan proporsi yang sama untuk ketidakcocokan tertentu. · VSWR: VSWR atau rasio gelombang berdiri tegangan berlaku khusus untuk gelombang berdiri tegangan yang dipasang pada saluran pengumpan atau transmisi. Karena lebih mudah untuk mendeteksi gelombang berdiri tegangan, dan dalam banyak kasus tegangan lebih penting dalam hal kerusakan perangkat, istilah VSWR sering digunakan, terutama dalam bidang desain RF.
Untuk sebagian besar tujuan praktis, ISWR sama dengan VSWR. Dalam kondisi ideal, tegangan RF pada saluran transmisi sinyal adalah sama di semua titik saluran, mengabaikan rugi-rugi daya yang disebabkan oleh hambatan listrik pada kabel saluran dan ketidaksempurnaan bahan dielektrik yang memisahkan konduktor saluran. Oleh karena itu, VSWR yang ideal adalah 1:1. (Seringkali nilai SWR ditulis hanya dalam bentuk angka pertama, atau pembilang, dari rasio karena angka kedua, atau penyebut, selalu 1.) Jika VSWR adalah 1, ISWR juga 1. Kondisi optimum ini dapat hanya ada ketika beban (seperti antena atau penerima nirkabel), di mana daya RF dikirimkan, memiliki impedansi yang identik dengan impedansi saluran transmisi. Ini berarti bahwa resistansi beban harus sama dengan impedansi karakteristik saluran transmisi, dan beban tidak boleh mengandung reaktansi (yaitu, beban harus bebas dari induktansi atau kapasitansi). Dalam situasi lain, tegangan dan arus berfluktuasi di berbagai titik di sepanjang saluran, dan SWR bukan 1.
4. Bagaimana VSWR Mempengaruhi Kinerja Dalam Sistem Transmisi
Ada banyak cara di mana VSWR memengaruhi kinerja sistem transmisi atau sistem apa pun yang mungkin menggunakan frekuensi radio dan impedansi yang identik. Meskipun VSWR digunakan secara normal, baik tegangan maupun arus gelombang dapat menyebabkan masalah.
· Penguat daya pemancar dapat rusak: Peningkatan level tegangan dan arus yang terlihat pada feeder sebagai akibat dari gelombang berdiri, dapat merusak transistor keluaran dari transmitter. Perangkat semikonduktor sangat andal jika dioperasikan dalam batas yang ditentukan, tetapi gelombang berdiri tegangan dan arus pada feeder dapat menyebabkan kerusakan besar jika perangkat tersebut beroperasi di luar batasnya.
· Perlindungan PA mengurangi daya keluaran: Mengingat bahaya yang sangat nyata dari tingkat SWR tinggi yang menyebabkan kerusakan pada penguat daya, banyak pemancar menyertakan sirkuit perlindungan yang mengurangi keluaran dari pemancar saat SWR meningkat. Ini berarti bahwa kecocokan yang buruk antara feeder dan antena akan menghasilkan SWR yang tinggi yang menyebabkan output berkurang dan karenanya kehilangan daya yang ditransmisikan secara signifikan.
· Tingkat tegangan dan arus yang tinggi dapat merusak feeder: Ada kemungkinan bahwa level tegangan dan arus tinggi yang disebabkan oleh rasio gelombang berdiri yang tinggi dapat menyebabkan kerusakan pada feeder. Meskipun dalam banyak kasus penyulang akan dioperasikan dengan baik dalam batasnya dan penggandaan tegangan dan arus harus dapat diakomodasi, ada beberapa keadaan di mana kerusakan dapat terjadi. Maksimum arus dapat menyebabkan pemanasan lokal yang berlebihan yang dapat merusak atau melelehkan plastik yang digunakan, dan tegangan tinggi diketahui dapat menyebabkan busur api dalam beberapa keadaan.
· Penundaan yang disebabkan oleh pantulan dapat menyebabkan distorsi: Ketika sinyal dipantulkan oleh ketidakcocokan, itu dipantulkan kembali ke sumber, dan kemudian dapat dipantulkan kembali ke antena. Penundaan diperkenalkan sama dengan dua kali waktu transmisi sinyal di sepanjang pengumpan. Jika data sedang dikirim, hal ini dapat menyebabkan interferensi antar-simbol, dan dalam contoh lain di mana televisi analog sedang dikirim, gambar "hantu" terlihat.
· Pengurangan sinyal dibandingkan dengan sistem pencocokan sempurna: Menariknya, hilangnya level sinyal yang disebabkan oleh VSWR yang buruk tidak sebesar yang dibayangkan beberapa orang. Setiap sinyal yang dipantulkan oleh beban, dipantulkan kembali ke pemancar dan karena pencocokan pada pemancar dapat memungkinkan sinyal dipantulkan kembali ke antena lagi, kerugian yang terjadi pada dasarnya adalah kerugian yang ditimbulkan oleh pengumpan. Sebagai panduan, panjang 30 meter RG213 coax dengan kerugian sekitar 1.5 dB pada 30 MHz akan berarti bahwa antena yang beroperasi dengan VSWR hanya akan memberikan kerugian lebih dari 1dB pada frekuensi ini dibandingkan dengan antena yang sangat cocok.
Banyak metode berbeda dapat digunakan untuk mengukur rasio gelombang berdiri. Metode paling intuitif menggunakan garis berlubang yang merupakan bagian saluran transmisi dengan slot terbuka yang memungkinkan probe mendeteksi tegangan aktual di berbagai titik di sepanjang saluran. Dengan demikian nilai maksimum dan minimum dapat dibandingkan secara langsung. Metode ini digunakan pada VHF dan frekuensi yang lebih tinggi. Pada frekuensi yang lebih rendah, garis seperti itu sangat panjang. Skrup arah dapat digunakan pada HF melalui frekuensi gelombang mikro. Beberapa gelombang seperempat atau lebih panjang, yang membatasi penggunaannya pada frekuensi yang lebih tinggi. Jenis lain dari directional coupler mengambil sampel arus dan tegangan pada satu titik di jalur transmisi dan secara matematis menggabungkannya sedemikian rupa untuk mewakili daya yang mengalir dalam satu arah. Jenis SWR / meteran daya yang umum digunakan dalam operasi amatir mungkin berisi penggandeng arah ganda. Jenis lainnya menggunakan penggandeng tunggal yang dapat diputar 180 derajat untuk menghasilkan daya sampel yang mengalir di kedua arah. Skrup searah jenis ini tersedia untuk berbagai rentang frekuensi dan tingkat daya dan dengan nilai sambungan yang sesuai untuk meter analog yang digunakan.
Garis Slotted
Daya maju dan pantulan yang diukur dengan skrup terarah dapat digunakan untuk menghitung SWR. Perhitungan dapat dilakukan secara matematis dalam bentuk analog atau digital atau dengan menggunakan metode grafis yang dibangun ke dalam meteran sebagai skala tambahan atau dengan membaca dari titik persimpangan antara dua jarum pada meter yang sama.
Alat ukur di atas dapat digunakan "sejajar" yaitu, daya penuh pemancar dapat melewati alat ukur tersebut sehingga memungkinkan pemantauan SWR secara terus menerus. Instrumen lain, seperti penganalisis jaringan, skrup pengarah daya rendah, dan jembatan antena menggunakan daya rendah untuk pengukuran dan harus dihubungkan menggantikan pemancar. Sirkuit jembatan dapat digunakan untuk mengukur secara langsung bagian nyata dan imajiner dari impedansi beban dan menggunakan nilai tersebut untuk memperoleh SWR. Metode-metode ini dapat memberikan informasi lebih dari sekedar SWR atau meneruskan dan kekuatan yang dipantulkan. Penganalisis antena yang berdiri sendiri menggunakan berbagai metode pengukuran dan dapat menampilkan SWR dan parameter lain yang diplot terhadap frekuensi. Dengan menggunakan penggandeng terarah dan jembatan dalam kombinasi, dimungkinkan untuk membuat instrumen sejajar yang membaca langsung dalam impedansi kompleks atau dalam SWR. Penganalisis antena yang berdiri sendiri juga tersedia yang mengukur beberapa parameter.
Pengukur daya
CATATAN: Jika pembacaan SWR Anda di bawah 1, Anda mengalami masalah. Anda mungkin memiliki meteran SWR yang buruk, ada yang salah dengan antena atau koneksi antena Anda, atau mungkin ada radio yang rusak atau cacat.
Ketika gelombang yang ditransmisikan mengenai batas seperti yang ada di antara jalur transmisi tanpa beban dan beban (Gambar 1), sebagian energi akan ditransmisikan ke beban dan sebagian akan dipantulkan. Koefisien refleksi menghubungkan gelombang yang masuk dan yang dipantulkan sebagai:
= V-/V+ (Persamaan 1)
Di mana V- adalah gelombang yang dipantulkan dan V + adalah gelombang yang masuk. VSWR terkait dengan besarnya koefisien refleksi tegangan (Γ) dengan:
VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (Persamaan 2)
Gambar 1. Rangkaian saluran transmisi yang menggambarkan batas ketidaksesuaian impedansi antara saluran transmisi dan beban. Refleksi terjadi di batas yang ditentukan oleh Γ. Gelombang datang adalah V + dan gelombang reflektifnya adalah V-.
VSWR dapat diukur secara langsung dengan SWR meter. Instrumen uji RF seperti penganalisa jaringan vektor (VNA) dapat digunakan untuk mengukur koefisien refleksi dari port input (S11) dan port output (S22). S11 dan S22 masing-masing setara dengan Γ pada port input dan output. VNA dengan mode matematika juga dapat secara langsung menghitung dan menampilkan nilai VSWR yang dihasilkan.
Kehilangan pengembalian pada port input dan output dapat dihitung dari koefisien refleksi, S11 atau S22, sebagai berikut:
RLIN = 20log10 | S11 | dB (Persamaan 3)
RLOUT = 20log10 | S22 | dB (Persamaan 4)
Koefisien refleksi dihitung dari impedansi karakteristik saluran transmisi dan impedansi beban sebagai berikut:
Γ = (ZL - ZO) / (ZL + ZO) (Persamaan 5)
Dimana ZL adalah impedansi beban dan ZO adalah impedansi karakteristik saluran transmisi (Gambar 1).
VSWR juga dapat diekspresikan dalam bentuk ZL dan ZO. Mengganti Persamaan 5 ke Persamaan 2, kami memperoleh:
VSWR = [1 + | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] / [1 - | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] = (ZL + ZO + | ZL - ZO |) / (ZL + ZO - | ZL - ZO |)
Untuk ZL> ZO, | ZL - ZO | = ZL - ZO
Karena itu:
VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL) / (ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO / ZL. (Persamaan 7)
Kami mencatat di atas bahwa VSWR adalah spesifikasi yang diberikan dalam bentuk rasio relatif terhadap 1, sebagai contoh 1.5: 1. Ada dua kasus khusus VSWR, ∞: 1 dan 1: 1. Rasio tak terhingga satu terjadi ketika beban adalah sirkuit terbuka. Rasio 1: 1 terjadi ketika beban sangat cocok dengan impedansi karakteristik saluran transmisi.
VSWR didefinisikan dari gelombang berdiri yang muncul pada saluran transmisi itu sendiri dengan:
VSWR = | VMAX | / | VMIN | (Persamaan 8)
Di mana VMAX adalah amplitudo maksimum dan VMIN adalah amplitudo minimum dari gelombang berdiri. Dengan dua gelombang super-dikenakan, maksimum terjadi dengan interferensi konstruktif antara gelombang yang masuk dan yang dipantulkan. Demikian:
VMAX = V + + V- (Persamaan 9)
untuk gangguan konstruktif maksimum. Amplitudo minimum terjadi dengan interferensi dekonstruktif, atau:
VMIN = V + - V- (Persamaan 10)
Mengganti Persamaan 9 dan 10 menjadi hasil Persamaan 8
VSWR = |VMAX|/|VMIN| = (V+ + V-)/(V+ - V-) (Persamaan 11)
Pengganti Persamaan 1 ke Persamaan 11, kami memperoleh:
Saat gelombang listrik bergerak melalui bagian yang berbeda dari sistem antena (penerima, saluran umpan, antena, ruang kosong), hal itu mungkin mengalami perbedaan impedansi. Pada setiap antarmuka, sebagian kecil dari energi gelombang akan dipantulkan kembali ke sumber, membentuk gelombang berdiri di garis umpan. Perbandingan daya maksimum dengan daya minimum dalam gelombang dapat diukur dan disebut rasio gelombang berdiri tegangan (VSWR). VSWR kurang dari 1.5: 1 ideal, VSWR 2: 1 dianggap sedikit dapat diterima dalam aplikasi daya rendah di mana kehilangan daya lebih kritis, meskipun VSWR setinggi 6: 1 mungkin masih dapat digunakan dengan hak peralatan. Untuk berjaga-jaga jika Anda tidak peduli dengan persamaan matematika, berikut adalah tabel “contekan” kecil untuk membantu memahami korelasi VSWR dengan persentase daya pantul yang akan kembali.
VSWR
Kekuatan Kembali
(perkiraan)
1:1
0%
2:1
10%
3:1
25%
6:1
50%
10:1
65%
14:1
75%
2. Apa penyebab VSWR tinggi?
Jika VSWR terlalu tinggi, ada potensi terlalu banyak energi yang dipantulkan kembali ke power amplifier, menyebabkan kerusakan pada sirkuit internal. Dalam sistem yang ideal, akan ada VSWR 1: 1. Penyebab nilai VSWR yang tinggi dapat berupa penggunaan beban yang tidak tepat atau sesuatu yang tidak diketahui seperti saluran transmisi yang rusak.
