VSWR i jego wpływ na wzmacniacze mocy

VSWR - Voltage Standing Wave Ratio (Współczynnik fali stojącej napięcia) jest wynikiem niedopasowania impedancji między źródłem (wzmacniaczem) a obciążeniem (aplikacja testowa). Ta niezgodność może wpłynąć na wydajność źródła. VSWR nie jest pojęciem trudnym do uchwycenia, ale jego wpływ na oprzyrządowanie może być trudniejszy do zrealizowania. W tym artykule Exodus Advanced Communications skupił się na wzmacniaczach RF / mikrofalowych dużej mocy i ich reakcji na ten powszechny problem fizyczny. Wzmacniacze czasami wymagają zabezpieczenia, aby zabezpieczyć się przed uszkodzeniem. Najpierw przyjrzyjmy się VSWR.

Większość systemów RF i mikrofalowych opiera się na określonej impedancji, która zwykle wynosi 50 Ω. Oprzyrządowanie i komponenty systemu testowego RF zostaną zaprojektowane tak, aby utrzymać tę impedancję w możliwie największym stopniu. Pozwala to na przewidywalny i znany transfer mocy. Idealnie byłoby, gdyby wszystko miało dokładnie 50 Ω, ale jak wszyscy wiemy, żyjąc w prawdziwym świecie, istnieją różnice. Jeśli oprzyrządowanie obejmuje szeroki zakres częstotliwości przez wiele dziesięcioleci, znacznie trudniejsze staje się utrzymanie idealnej impedancji 50 Ω. Pewien poziom VSWR jest nieunikniony.

VSWR oblicza się w następujący sposób: 

To prosty stosunek różnic impedancji. Im większa impedancja (ZL), tym mniejsza impedancja (ZO). Idealnym wynikiem jest 50 Ω / 50 Ω = 1. Może być napisany samodzielnie i nie zawiera jednostek, a w niektórych przypadkach jako stosunek, na przykład; 2: 1, 4: 1 lub 10: 1. Im większa niedopasowanie impedancji, tym większy VSWR. Jaki jest wynik dużego VSWR lub małego VSWR? Poniższe równanie pokazuje inny sposób znalezienia VSWR, znając moc do przodu i do tyłu (lub odbitą):

To równanie wprowadza moc, która pozwala nam teraz nieco lepiej zrozumieć, że niedopasowanie powoduje odbicie mocy z powrotem do wzmacniacza. Moc odbita to utrata mocy, która nie jest przesyłana ani odbierana przez obciążenie. Niedopasowanie zmniejsza dostarczaną moc i wydajność systemu. Należy starać się zminimalizować utratę mocy.

Stracona moc, która się odbija, dokąd zmierza? Wiemy z prawa zachowania energii Newtona, że ​​musi gdzieś iść. Kończy się z powrotem we wzmacniaczu. Dlatego wzmacniacz musi radzić sobie z tą odbitą mocą, która do niego powraca. Ta odbita energia tworzy falę stojącą z wyjściem + odbiciem. Patrząc na najgorszy przypadek nieskończonego VSWR, dzieje się tak z przerwą lub zwarciem na wyjściu lub obciążeniu wzmacniacza. Nieskończony VSWR powoduje 100% odbicie, które może podwoić napięcie, obciążając w ten sposób wszystkie elementy wewnętrzne. Naprężenie może objawiać się rozpraszaniem ciepła lub wyższymi napięciami, to wyższe napięcie przesuwa granice przebicia napięcia.

Ile mocy odbitej musi wytrzymać wzmacniacz? To zależy od wielkości niedopasowania. W tym celu musimy zrozumieć, co jest typowe w większości aplikacji testowych. W większości zastosowań wzmacniacz, obciążenie i konfiguracja są stabilne i zaprojektowane z najniższym VSWR, zwykle poniżej 2: 1. Gdzie 10% mocy może zostać odbite. 10% + 100% planowanej mocy = 110% całkowitej mocy, która może wymagać rozproszenia.

Przykładami takich systemów są generalnie nadajniki wąskopasmowe, w których projektowanie anten lub linii transmisyjnych jest nieco łatwiejsze w porównaniu z zastosowaniami szerokopasmowymi. Istnieją jednak aplikacje, w których można zobaczyć więcej niż 2: 1. Wysoki VSWR jest często spowodowany testowaniem przy bardzo szerokopasmowych, dużej mocy i słabo dopasowanych obciążeniach. Najlepiej jest unikać tej sytuacji w jak największym stopniu, jednak czasami ten stan jest nieunikniony, ponieważ testy muszą być nadal wykonywane. Poniżej znajduje się wykres przedstawiający VSWR względem mocy odbitej.

Powyższy wykres pokazuje, że wraz ze wzrostem VSWR rośnie ilość utraconej mocy. Przy VSWR 6: 1, 50% mocy jest tracone jako energia zmarnowana i może wymagać większego wzmacniacza, aby zrekompensować wzrost kosztów aplikacji testowej.

Przykłady zastosowań, w których obciążenia mogą mieć wysokie VSWR: szerokopasmowe niskie częstotliwości (<100 MHz), testy EMC pod kątem odporności na promieniowanie i przewodzenie, eksperymenty, w których obciążenie może nie być znane lub przypadki, w których obciążenie uległo awarii lub zostało uszkodzone. Należy dołożyć starań, aby lepiej dopasować impedancje, a całe oprzyrządowanie może obsłużyć VSWR. Należy pamiętać, że VSWR różni się w całym zakresie częstotliwości. Wyższe poziomy VSWR są oznaką złej konfiguracji. Należy podjąć kroki w celu poprawy dopasowania impedancji.

Poprawianie VSWR

Dobrze jest zacząć od dobrej jakości komponentów, interkonektów, kabli koncentrycznych i odbiorników / przetworników o niskich wartościach VSWR. Jeśli musisz użyć obciążenia / przetwornika o wysokim VSWR i chcesz poprawić VSWR widziany przez wzmacniacz, co możesz zrobić? Najczęstszym sposobem ulepszenia VSWR jest użycie tłumika, czasami nazywanego PAD. PAD o 3dB dodany do wejścia obciążenia / przetwornika poprawia dopasowanie. Ta metoda jest używana wiele razy podczas testowania z sondami (BCI) Bulk Current Injection i antenami (Bi-Con) Biconical.

Negatywnym aspektem jest to, że dostarczana jest moc o 3dB lub ½; 500 watów zmienia się teraz w 250 watów. Alternatywą jest posiadanie dopasowanej sieci, która przekształca zmianę w złożoności projektu, pasują tylko do obciążenia, dla którego są zaprojektowane, i mogą mieć ograniczoną impedancję. W ten sposób traci mniej mocy niż tłumik. Pasujące sieci są bardziej w zakresie częstotliwości. Z tego powodu pasujące sieci nie są łatwo dostępne.


Jak wzmacniacze radzą sobie z VSWR?

Niektóre techniki można zastosować w projektowaniu wzmacniaczy, aby radzić sobie z wyższymi poziomami VSWR. Większość wzmacniaczy może obsługiwać VSWR 2: 1, ponieważ jest to bardzo częste niedopasowanie. Wiele specyfikacji wzmacniaczy ma w najgorszym przypadku ocenę wyjściową 2: 1, więc musi być w stanie zabezpieczyć się przed podłączeniem do obciążenia 50 Ω. Wzmacniacze tranzystorowe mają zwykle znacznie lepszą wytrzymałość niż ta, prawdopodobnie działają bez uszkodzeń w zwarcia i otwierają się, zachowując pełną moc wyjściową.

Doprowadzenie pełnej mocy do obciążenia może zaproponować niebezpieczną konfigurację testu, ponieważ zwykle wysoki VSWR jest oznaką uszkodzenia lub błędu w konfiguracji testu. Ponieważ poziomy mocy wzrastają powyżej 100 watów do 1 kW i dalej, coraz trudniej jest zbudować wzmacniacz, który poradzi sobie z nieskończonym VSWR lub 100% mocą odbitą. Czasami uważa się, że wzmacniacz klasy A z natury radzi sobie lepiej z VSWR niż wzmacniacz klasy AB. To nie jest to regułą. Solidność wykracza poza to, do jakiej klasy wzmacniacze są obciążone i ma więcej wspólnego z projektowaniem obwodów. Ale jeśli projekt nie radzi sobie z wysokim VSWR, można zastosować inne zabezpieczenia.

Ochrona wzmacniacza

Aktywna ochrona - przybiera różne formy. Wiele wzmacniaczy ma podstawowe zabezpieczenia obwodów, takie jak przegrzanie i prąd. Pomagają one w ochronie wzmacniacza przed wysokim VSWR, ale nie są głównym powodem ich stosowania. Aby zabezpieczyć się przed VSWR, zwykle monitoruje się moc wyjściową i odbitą, a pętla zabezpieczająca jest podłączona. Wprowadzono dwie różne metody:

Shutdown - jeśli mierzona jest wysoka moc zwrotna (lub VSWR), wzmacniacz wyłączy się z błędem wskazującym na Usterkę. Producent ustawia to na bezpiecznym poziomie mocy odbitej dla wzmacniacza. Po usunięciu usterki można ponownie użyć wzmacniacza.
Foldback - jeśli monitorowana jest duża moc zwrotna, wzmacniacz zmniejsza swoje wewnętrzne wzmocnienie, obniżając tym samym moc wyjściową. Ogranicza to moc zwrotną przed przekroczeniem progu, który utrzymuje wzmacniacz w stanie aktywnym, ale jest chroniony przed awarią.
Ochrona nieaktywna - może być wdrożona w celu obniżenia kosztu wzmacniacza, ponieważ konfiguracja ma niewielkie lub żadne szanse na wysoki VSWR. Lub w przypadkach, gdy wzmacniacz jest wystarczająco wytrzymały, aby wytrzymać wysokie VSWR i dlatego nie wymaga aktywnej ochrony. Przykładem może być ochrona cyrkulatora. Cyrkulatory zapobiegają powrotowi odbitej mocy do źródła i są dostępne dla niektórych zakresów częstotliwości i poziomów mocy. Nie są one zazwyczaj dostępne dla aplikacji szerokopasmowych <100 MHz.

Wnioski

Znajomość poziomów VSWR w konfiguracji RF jest niezbędna, aby wiedzieć i rozumieć, aby przewidywać wydajność. Wysoki VSWR to termin względny zależny od zastosowania. W zdecydowanej większości zastosowań wzmacniaczy 2: 1 jest normalne. Większe niż 6: 1 lub nawet powyżej 4: 1 należy uznać za wysokie. Wysoki VSWR powoduje, że stres na wszystkich wzmacniaczach staje się bardzo niepokojący, gdy moc wzrasta do ponad 500 watów. Chociaż specyfikacje wzmacniacza mogą zawierać; „Może wytrzymać wszystkie poziomy VSWR bez uszkodzeń” nie oznacza, że ​​nie powoduje stresu dla instrumentu. Długotrwała ekspozycja w tym wysokim stanie VSWR może mieć szkodliwe skutki. Należy dołożyć starań, aby prawidłowo używać wzmacniacza i utrzymywać dobrze dopasowaną konfigurację testową. Wydłuży to żywotność instrumentu i inwestycji w sprzęt.

Zostaw wiadomość 

Lista komunikatów