VSWR и неговите ефекти върху усилвателите на мощност

VSWR - Съотношение на постоянната вълна на напрежението е резултат, който се получава от несъответствие на импеданса между източник (усилвател) и товар (приложение за изпитване). Това несъответствие може да повлияе на работата на източника. VSWR не е трудна концепция за разбиране, но въздействието му върху инструментариума може да бъде по-трудно за реализиране. В тази статия Exodus Advanced Communications се фокусира върху RF / микровълнови усилватели с висока мощност и как те реагират на този често срещан физически проблем. Усилвателите понякога се нуждаят от защита, за да се предпазят от повреда. Първо, нека разберем VSWR.

Повечето RF и микровълнови системи се базират на определен импеданс, който обикновено е 50 Ω. Измервателната апаратура и компонентите в RF система за изпитване ще бъдат проектирани да поддържат този импеданс доколкото е възможно. Това позволява предсказуем известен трансфер на мощност. В идеалния случай всичко би било точно 50 Ω, но както всички знаем, животът в реалния свят има вариации. Ако апаратурата обхваща широк честотен диапазон в продължение на много десетилетия, става много по-трудно да се поддържа идеалният импеданс от 50 Ω. Известно ниво на VSWR е неизбежно.

VSWR се изчислява по следния начин: 

Това е просто съотношение на разликите в импеданса. Колкото по-голям импеданс (ZL) над, толкова по-малък импеданс (ZO). 50 Ω / 50 Ω = 1 е идеалният резултат. Той може да бъде написан самостоятелно и е без единици, или в някои случаи например като съотношение; 2: 1, 4: 1 или 10: 1. Колкото по-голямо е несъответствието на импеданса, толкова по-голям е VSWR. Какъв е резултатът от голям VSWR или малък VSWR? Следното уравнение показва различен начин за намиране на VSWR, като се знае мощността напред и назад (или отражение):

Това уравнение въвежда мощност, която ни позволява да разберем малко повече, че несъответствието води до отразяване на мощността обратно към усилвателя. Отразената мощност е загубена мощност, която не се предава или получава от товара. Несъответствието намалява доставената мощност и ефективност на системата. Човек трябва да се опита да сведе до минимум загубената мощност.

Изгубената сила, която се отразява къде отива? От закона за опазване на енергията на Нютон знаем, че той трябва да отиде някъде. Той завършва обратно при усилвателя. Следователно усилвателят трябва да се справи с тази отразена мощност, която се връща обратно в него. Тази отразена енергия създава стояща вълна с изхода + отразената. Разглеждайки най-лошия случай на безкраен VSWR, това се случва с отворено или късо на изхода или товара на усилвателя. Infinite VSWR причинява 100% отражение, което може да удвои напрежението, като по този начин натоварва всички вътрешни компоненти. Стресът може да се прояви като разсейване на топлината или по-високи напрежения, това по-високо напрежение избутва границите на пробив на напрежението.

С колко отразена мощност трябва да може да се справи усилвателят? Зависи от размера на несъответствието. За това трябва да разберем какво е типично за повечето тестови приложения. В повечето приложения усилвателят, натоварването и настройката са стабилни и проектирани с най-ниския коефициент на шумоподтискане, обикновено поддържан под 2: 1. Където 10% от мощността може да бъде отразена. 10% + 100% от предвидената мощност = 110% обща мощност, която може да се наложи да се разсее.

Примери за тези системи обикновено са теснолентови предаватели, при които проектирането на антени или предавателни линии е малко по-лесно в сравнение с широколентовите приложения. Има обаче приложения, при които може да се види повече от 2: 1. Високият VSWR често се дължи на тестване с много широколентови, мощни и лошо съвпадащи товари. Най-добре е да избягвате тази ситуация колкото е възможно повече, но понякога това състояние е неизбежно, тъй като тестването все пак трябва да се направи. По-долу има диаграма, показваща VSWR спрямо отразената мощност.

Горната диаграма показва, че с увеличаване на VSWR се увеличава и количеството загубена мощност. При VSWR 6: 1 50% от вашата мощност се губи като загубена енергия и може да се наложи по-голям усилвател, за да се компенсира прекомерно увеличаването на разходите за вашето тестово приложение.

Примери за приложения, при които натоварванията могат да имат висока VSWR: нискочестотна (<100MHz) широколентова връзка, EMC тестване за излъчен имунитет и проведен имунитет, експериментиране, където товарът може да не е известен, или случаи, когато натоварването е неуспешно или повредено. Трябва да се внимава по-добре да се съчетаят импедансите и всички уреди да могат да се справят с VSWR. Имайте предвид, че VSWR е различен в честотния диапазон. По-високите нива на VSWR са знак за лоша настройка. Трябва да се предприемат стъпки за подобряване на съвпадението на импеданса.

Подобряване на VSWR

Добре е да започнете с качествени компоненти, междусистемни връзки, коаксиални кабели и товари / преобразуватели, които имат ниски стойности на VSWR. Ако трябва да използвате товар / преобразувател с висок VSWR и трябва да подобрите VSWR, видян от усилвателя, какво можете да направите? Най-често срещаният начин за подобряване на VSWR е използването на атенюатор, понякога наричан PAD. 3DB PAD, добавен към входа на товара / преобразувателя, подобрява съвпадението. Този метод се използва многократно при тестване с (BCI) сонди за насипно впръскване на ток и (Bi-Con) биконични антени.

Отрицателният аспект на това е, че се доставя 3dB или ½ мощността; 500 вата сега стават 250 вата. Алтернатива е да има съвпадаща мрежа, която трансформира промяната в omplex в дизайна, те отговарят само на товара, за който е проектиран и може да бъде ограничен импеданс. По този начин губи по-малко мощност, отколкото атенюаторът. Съответстващите мрежи са по-c в честотния диапазон. Поради тази причина съвпадащите мрежи не са лесно достъпни.


Как усилвателите се справят с VSWR?

Някои техники могат да бъдат приложени при проектирането на усилватели за обработка на по-високи нива на VSWR. Повечето усилватели могат да се справят с 2: 1 VSWR, тъй като това е много често несъответствие. Много спецификации на усилвателя имат най-лошия изходен рейтинг 2: 1, така че той трябва да може да се предпази от свързване към 50Ω товар. Полупроводниковите усилватели обикновено имат далеч по-добра стабилност от тази, евентуално работят без повреди в шорти и се отварят, като същевременно поддържат пълна мощност напред.

Вкарването на пълна мощност в товара може да предложи опасна настройка на теста, тъй като обикновено високият VSWR е знак за повреда или грешка в тестовата настройка. Тъй като нивата на мощност се увеличават над 100 вата до 1kW и по-нататък е все по-трудно да се изгради усилвател за работа с безкраен VSWR или 100% отразена мощност. Понякога се смята, че усилвател от клас А може по същество да се справи с VSWR по-добре от усилвател от клас AB. Това не е непременно така. Устойчивостта надхвърля този клас, към който усилвателите са предубедени и има повече общо с дизайна на веригата. Но ако дизайнът не може да се справи с високия VSWR, могат да бъдат приложени други защити.

Защита на усилвателя

Активна защита - предлага се в различни форми. Много усилватели ще имат основни защитни схеми като прегряване и ток. Те помагат за защита на усилвателя от висок коефициент на шум, но не са основната причина за тяхното използване. За да се предпази от VSWR, изходната мощност и отразената мощност обикновено се наблюдават и се обвързва защитна верига. Установени са два различни метода:

Изключване - ако се измерва висока обратна мощност (или VSWR), усилвателят ще се изключи с грешка, показваща неизправността. Производителят задава това на безопасно отразено ниво на мощност за усилвателя. След като условието за повреда бъде изчистено, усилвателят може да се използва отново.
Foldback - ако се следи висока обратна мощност, усилвателят намалява вътрешната си печалба, като по този начин намалява изхода. Това ограничава обратната мощност от надхвърляне на праг, поддържайки усилвателя активен, но защитен от повреда.
Неактивна защита - може да бъде приложена за намаляване на разходите на усилвателя, тъй като настройката има малък или никакъв шанс за висока VSWR. Или в случаите, когато усилвателят е достатъчно здрав, за да се справи с висок VSWR и следователно не се нуждае от активна защита. Пример за това би била защитата на циркулатора. Циркулаторите предотвратяват връщането на отразената мощност към източника и са налични за някои честотни диапазони и нива на мощност. Те обикновено не са достъпни за широколентови приложения <100MHz.

Заключение

Познаването на нивата на VSWR в RF настройката е от съществено значение за познаване и разбиране за прогнозиране на производителността. Високият VSWR е относително понятие в зависимост от приложението. В по-голямата част от приложенията на усилвателите 2: 1 е нормално. По-големи от 6: 1 или дори над 4: 1 трябва да се считат за високи. Високият VSWR е стрес за всички усилватели, които стават много притеснителни, тъй като мощностите се увеличават до 500+ вата. Въпреки че спецификациите на усилвателя могат да посочват; „Може да издържи на всички нива на VSWR без повреди“ не означава, че не е стресиращо за инструмента. Продължителната експозиция при това високо VSWR състояние може да има вредни ефекти. Трябва да се внимава да се използва усилвателят правилно и да се поддържа добре съчетана тестова настройка. Това ще удължи живота на инструмента и инвестицията в оборудване.

Остави съобщение 

Списък на ЛС