VSWR a jeho účinky na výkonové zosilňovače

VSWR - pomer stojatých vĺn napätia je výsledok, ktorý sa stane z dôvodu nesúladu impedancie medzi zdrojom (zosilňovačom) a záťažou (testovacia aplikácia). Tento nesúlad môže ovplyvniť výkon zdroja. VSWR nie je ťažké pochopiť, ale jeho účinky na prístrojové vybavenie môžu byť ťažšie realizovateľné. V tomto článku sa Exodus Advanced Communications zameral na vysokofrekvenčné / mikrovlnné zosilňovače vysokého výkonu a na to, ako reagujú na tento bežný fyzikálny problém. Zosilňovače niekedy musia zaviesť ochranu, aby sa chránili pred poškodením. Po prvé, poďme pochopiť VSWR.

Väčšina RF a mikrovlnných systémov je založená na špecifikovanej impedancii, ktorá je zvyčajne 50 Ω. Prístrojové vybavenie a komponenty v testovacom systéme RF budú navrhnuté tak, aby udržovali túto impedanciu v maximálnej možnej miere. To umožňuje predvídateľný známy prenos energie. V ideálnom prípade by bolo všetko presne 50 Ω, ale ako všetci vieme, v skutočnom svete existujú variácie. Ak prístrojové vybavenie pokrýva široký frekvenčný rozsah po mnoho desaťročí, je oveľa náročnejšie udržiavať ideálnu impedanciu 50 Ω. Určitej úrovni VSWR sa nedá vyhnúť.

VSWR sa počíta takto: 

Je to jednoduchý pomer rozdielov v impedancii. Čím väčšia je impedancia (ZL), tým menšia je impedancia (ZO). 50 Ω / 50 Ω = 1 je ideálny výsledok. Môže byť napísaný samostatne a je bez jednotiek, alebo v niektorých prípadoch napríklad v pomere; 2: 1, 4: 1 alebo 10: 1. Čím väčší je nesúlad impedancie, tým väčší je VSWR. Aký je výsledok veľkého VSWR alebo malého VSWR? Nasledujúca rovnica ukazuje iný spôsob, ako nájsť VSWR s vedomím sily vpred a vzad (alebo v odraze):

Táto rovnica predstavuje výkon, ktorý nám umožňuje trochu viac pochopiť, že nesúlad spôsobuje, že sa výkon odráža späť do zosilňovača. Odrazený výkon je stratený výkon, ktorý nie je prenášaný alebo prijímaný záťažou. Nesúlad znižuje dodaný výkon a efektivitu systému. Jeden by sa mal pokúsiť minimalizovať stratený výkon.

Stratená sila, ktorá sa odráža kam ide? Z Newtonovho zákona vieme, že ochrana energie musí niekam ísť. Skončí to späť pri zosilňovači. Preto musí zosilňovač zvládnuť tento odrazený výkon, ktorý sa doň vracia. Táto odrazená energia vytvára stojatú vlnu s výstupom + odrazeným. Pri pohľade na najhorší prípad nekonečného VSWR k tomu dôjde pri otvorení alebo skrate na výstupe alebo zaťažení zosilňovača. Nekonečné VSWR spôsobuje 100% odraz, čo môže zdvojnásobiť napätie a tým namáhať všetky vnútorné komponenty. Stres sa môže prejaviť ako odvod tepla alebo vyššie napätie, toto vyššie napätie posúva hranice prieniku napätia.

Koľko odrazeného výkonu musí byť zosilňovač schopný zvládnuť? Závisí to od veľkosti nesúladu. Z tohto dôvodu musíme pochopiť, čo je typické pre väčšinu testovacích aplikácií. Vo väčšine aplikácií sú zosilňovač, záťaž a nastavenie stabilné a navrhnuté s najmenším VSWR, zvyčajne pod 2: 1. Kde sa mohlo odraziť 10% výkonu. 10% + 100% plánovaného výkonu = 110% celkového výkonu, ktorý bude možno potrebné rozptýliť.

Príklady týchto systémov sú všeobecne úzkopásmové vysielače, kde je navrhovanie antén alebo prenosových vedení o niečo jednoduchšie v porovnaní so širokopásmovými aplikáciami. Existujú však aplikácie, kde je vidieť viac ako 2: 1. Vysoký VSWR je často spôsobený testovaním s veľmi širokopásmovým pripojením, veľkým výkonom a zlou zhodou záťaže. Najlepšie je vyhnúť sa tejto situácii čo najviac, niekedy sa však tejto podmienke nedá vyhnúť, pretože je stále potrebné vykonať testovanie. Nižšie je uvedený graf ukazujúci VSWR vs. odrazený výkon.

Vyššie uvedený graf ukazuje, že s nárastom VSWR sa zvyšuje aj množstvo strateného výkonu. Pri VSWR 6: 1 sa stratí 50% vášho výkonu ako zbytočná energia a môže si vyžadovať väčší zosilňovač, ktorý by nadmerne kompenzoval zvýšenie nákladov na vašu testovaciu aplikáciu.

Príklady aplikácií, kde môžu mať záťaže vysoké VSWR: nízkofrekvenčné (<100 MHz) širokopásmové pripojenie, testovanie EMC na vyžarovanú imunitu a imunitu proti vedeniu, experimenty, pri ktorých nemusí byť záťaž známa, alebo prípady, keď záťaž zlyhala alebo bola poškodená. Je potrebné dbať na to, aby sa lepšie prispôsobili impedancie a všetko prístrojové vybavenie dokáže zvládnuť VSWR. Pamätajte, že VSWR sa líši vo frekvenčnom rozsahu. Vyššie úrovne VSWR sú znakom zlého nastavenia. Mali by sa podniknúť kroky na zlepšenie prispôsobenia impedancie.

Zlepšenie VSWR

Je dobré začať s kvalitnými komponentmi, prepojeniami, koaxiálnymi káblami a záťažami / meničmi, ktoré majú nízke hodnotenie VSWR. Čo musíte urobiť, ak potrebujete použiť prevodník zaťaženia s vysokými VSWR a potrebujete vylepšiť VSWR viditeľný zosilňovačom? Najbežnejším spôsobom zlepšenia VSWR je použitie zoslabovača, niekedy označovaného ako PAD. 3dB PAD pridaný na vstup záťaže / meniča zlepšuje zhodu. Táto metóda sa používa mnohokrát pri testovaní sondami (BCI) na injektovanie hromadného prúdu a (Bi-Con) bikonickými anténami.

Negatívnym aspektom je to, že sa dodáva 3dB alebo ½ energie; 500 W sa teraz stáva 250 W. Alternatívou je mať zodpovedajúcu sieť, ktorá transformuje zmenu v komplexnom dizajne, zodpovedajú iba zaťaženiu, pre ktoré je určená, a môže to byť obmedzená impedancia. Takto stratil menej energie ako by dosiahol útlmový článok. Zhodné siete majú viac frekvenčných rozsahov. Z tohto dôvodu nie sú zhodné siete ľahko dostupné.


Ako zvládajú zosilňovače VSWR?

Niektoré techniky môžu byť implementované do návrhu zosilňovačov na zvládnutie vyšších úrovní VSWR. Väčšina zosilňovačov zvládne VSWR 2: 1, pretože ide o veľmi častý nesúlad. Mnoho špecifikácií zosilňovača má výstupný výkon v najhoršom prípade 2: 1, takže musí byť schopný chrániť sa pred pripojením k záťaži 50Ω. Polovodičové zosilňovače majú zvyčajne oveľa lepšiu odolnosť, pravdepodobne fungujú bez poškodenia skratov a otvárajú sa pri zachovaní plného predného výkonu.

Pohon plného výkonu do záťaže môže navrhnúť nebezpečné testovacie nastavenie, pretože vysoká hodnota VSWR je zvyčajne známkou poškodenia alebo chyby v testovacom nastavení. Keď sa úrovne výkonu zvýšia nad 100 wattov na 1 kW a je čoraz ťažšie zostaviť zosilňovač, ktorý zvládne nekonečný VSWR alebo 100% odrazený výkon. Niekedy sa predpokladá, že zosilňovač triedy A dokáže inherentne lepšie zvládnuť VSWR ako zosilňovač triedy AB. Nie je to tak nevyhnutne. Robustnosť ide nad rámec toho, v akej triede sú zosilňovače predpäté, a má viac spoločného s návrhom obvodov. Pokiaľ ale dizajn nedokáže zvládnuť vysoké VSWR, je možné implementovať ďalšie ochrany.

Ochrana zosilňovača

Aktívna ochrana - má rôzne formy. Mnoho zosilňovačov bude mať základnú ochranu obvodov, ako je prehriatie a prúd. Pomáhajú chrániť zosilňovač pred vysokými VSWR, ale nie sú hlavným dôvodom ich použitia. Na ochranu pred VSWR sa zvyčajne monitoruje výstupný a odrazený výkon a je pripojená ochranná slučka. Zavádzajú sa dve rôzne metódy:

Vypnutie - ak sa meria vysoký reverzný výkon (alebo VSWR), zosilňovač sa vypne s chybou indikujúcou poruchu. Výrobca nastavuje túto hodnotu na bezpečnú úroveň odrazeného výkonu pre zosilňovač. Po odstránení poruchového stavu je možné zosilňovač znova použiť.
Sklopenie - ak je monitorovaný vysoký spätný výkon, zosilňovač zníži svoj vnútorný zisk, a tým zníži výkon. To obmedzuje spätný výkon od prekročenia prahovej hodnoty, ktorá udržuje zosilňovač aktívny, ale chránený pred zlyhaním.
Neaktívna ochrana - môže byť implementovaná na zníženie nákladov na zosilňovač, pretože nastavenie má malú alebo žiadnu šancu na vysoké VSWR. Alebo v prípadoch, keď je zosilňovač dostatočne robustný na to, aby zvládol vysoké VSWR, a preto nepotrebuje aktívnu ochranu. Príkladom toho môže byť ochrana obehového čerpadla. Obehové čerpadlá zabraňujú návratu odrazeného výkonu k zdroju a sú k dispozícii pre niektoré frekvenčné rozsahy a úrovne výkonu. Pre širokopásmové aplikácie <100 MHz nie sú zvyčajne dostupné.

záver

Znalosť úrovní VSWR v nastavení RF je nevyhnutná na poznanie a pochopenie predvídania výkonu. Vysoká VSWR je relatívny pojem v závislosti od aplikácie. V prevažnej väčšine aplikácií so zosilňovačmi je pomer 2: 1 normálny. Vyšší ako 6: 1 alebo dokonca vyšší ako 4: 1 by sa mal považovať za vysoký. Vysoká VSWR je záťaž na to, že všetky zosilňovače sa stávajú veľmi znepokojujúcimi, keď výkon stúpa na 500+ wattov. Aj keď môžu byť špecifikácie zosilňovača uvedené; „Vydrží všetky úrovne VSWR bez poškodenia“ neznamená, že to na prístroj nie je stresujúce. Dlhodobá expozícia v tomto vysokom stave VSWR môže mať škodlivé účinky. Je potrebné dbať na to, aby ste zosilňovač používali správne a aby ste udržali správne zosúladené testovacie nastavenie. To predĺži životnosť prístroja a investícií do vybavenia.

Zanechajte správu 

zoznam správ