VSWR e suoi effetti sugli amplificatori di potenza

VSWR - Il rapporto delle onde stazionarie di tensione è il risultato di un disadattamento di impedenza tra una sorgente (un amplificatore) e un carico (applicazione di prova). Questa mancata corrispondenza può influenzare le prestazioni della sorgente. VSWR non è un concetto difficile da comprendere, ma i suoi effetti sulla strumentazione possono essere più difficili da realizzare. In questo articolo, Exodus Advanced Communications si è concentrato sugli amplificatori RF / microonde ad alta potenza e su come reagiscono a questo problema fisico comune. A volte gli amplificatori devono istituire protezioni per proteggersi da eventuali danni. Innanzitutto, comprendiamo VSWR.

La maggior parte dei sistemi RF e microonde si basa su un'impedenza specificata che di solito è 50 Ω. La strumentazione e i componenti in un sistema di test RF saranno progettati per mantenere questa impedenza per quanto possibile. Ciò consente un trasferimento di potenza noto e prevedibile. Idealmente, tutto sarebbe esattamente 50 Ω, ma come tutti sappiamo, vivendo nel mondo reale ci sono delle variazioni. Se la strumentazione copre un'ampia gamma di frequenze per molti decenni, diventa molto più difficile mantenere l'impedenza ideale di 50 Ω. Un certo livello di VSWR è inevitabile.

VSWR è calcolato come segue: 

È un semplice rapporto tra le differenze di impedenza. Maggiore è l'impedenza (ZL), minore è l'impedenza (ZO). 50 Ω / 50 Ω = 1 è il risultato ideale. Può essere scritto da solo ed è senza unità, o in alcuni casi come rapporto, per esempio; 2: 1, 4: 1 o 10: 1. Maggiore è il disadattamento dell'impedenza, maggiore è il VSWR. Qual è il risultato di un VSWR grande o di un piccolo VSWR? La seguente equazione mostra un modo diverso per trovare VSWR conoscendo la potenza diretta e inversa (o riflessa):

Questa equazione introduce la potenza che ci permette ora di capire un po 'di più che il disadattamento sta facendo riflettere la potenza sull'amplificatore. La potenza riflessa è potenza persa non trasmessa o ricevuta dal carico. Avere una mancata corrispondenza riduce la potenza erogata e l'efficienza del sistema. Si dovrebbe cercare di ridurre al minimo la perdita di potenza.

Il potere perduto che si riflette dove va? Sappiamo dalla legge di Newton sulla conservazione dell'energia che deve andare da qualche parte. Finisce di nuovo all'amplificatore. Pertanto, l'amplificatore deve gestire questa potenza riflessa che ritorna in esso. Questa energia riflessa crea un'onda stazionaria con l'uscita + il riflesso. Guardando il caso peggiore di VSWR infinito, ciò si verifica con un aperto o un corto all'uscita o al carico dell'amplificatore. VSWR infinito provoca una riflessione del 100%, che può raddoppiare la tensione mettendo in tal modo stress su tutti i componenti interni. Lo stress può manifestarsi come dissipazione del calore o tensioni più elevate, questa tensione più alta spinge i limiti di rottura della tensione.

Quanta potenza riflessa deve essere in grado di sopportare l'amplificatore? Dipende dalle dimensioni della mancata corrispondenza. Per questo, dobbiamo capire cosa è tipico nella maggior parte delle applicazioni di test. Nella maggior parte delle applicazioni, l'amplificatore, il carico e la configurazione sono stabili e progettati con il VSWR più basso, solitamente mantenuto al di sotto di 2: 1. Dove potrebbe riflettersi il 10% della potenza. 10% + 100% della potenza prevista = 110% della potenza totale che potrebbe essere necessario dissipare.

Esempi di questi sistemi sono generalmente trasmettitori a banda stretta in cui la progettazione di antenne o linee di trasmissione è un po 'più semplice rispetto alle applicazioni a banda larga. Tuttavia, ci sono applicazioni in cui è possibile vedere più di 2: 1. Un VSWR elevato è spesso dovuto a test con carichi a banda molto larga, ad alta potenza e scarsamente abbinati. È meglio evitare questa situazione il più possibile, tuttavia, a volte questa condizione è inevitabile poiché i test devono ancora essere eseguiti. Di seguito è riportato un grafico che mostra VSWR rispetto alla potenza riflessa.

Il grafico sopra mostra che all'aumentare del VSWR aumenta anche la quantità di potenza persa. Con un VSWR 6: 1, il 50% della potenza viene perso come energia sprecata e potrebbe richiedere un amplificatore più grande per compensare in modo eccessivo l'aumento del costo dell'applicazione di prova.

Esempi di applicazioni in cui i carichi possono avere un VSWR elevato: banda larga a bassa frequenza (<100 MHz), test EMC per immunità irradiata e immunità condotta, sperimentazione in cui il carico potrebbe non essere noto o casi in cui il carico si è guastato o è stato danneggiato. È necessario prestare attenzione per abbinare meglio le impedenze e tutta la strumentazione può gestire il VSWR. Tieni presente che il VSWR è diverso in tutta la gamma di frequenze. Livelli di VSWR più alti sono un segno di una configurazione scadente. È necessario adottare misure per migliorare l'adattamento dell'impedenza.

Migliorare VSWR

È consigliabile iniziare con componenti, interconnessioni, cavi coassiali e carichi / trasduttori di buona qualità con valori di VSWR bassi. Se devi utilizzare un carico / trasduttore con alto VSWR e devi migliorare il VSWR visto dall'amplificatore, cosa puoi fare? Il modo più comune per migliorare VSWR è utilizzare un attenuatore, a volte indicato come PAD. Un PAD da 3dB aggiunto all'ingresso del carico / trasduttore migliora la corrispondenza. Questo metodo viene utilizzato molte volte durante il test con sonde di iniezione di corrente di massa (BCI) e antenne biconiche (Bi-Con).

L'aspetto negativo di questo è che vengono erogati 3dB o ½ della potenza; 500 watt ora diventano 250 watt. Un'alternativa è avere una rete di adattamento che trasformi il cambiamento di omplex nel design, corrisponda solo al carico per cui è progettato e può avere un'impedenza limitata. Perdendo così meno potenza di quanto farebbe un attenuatore. Le reti corrispondenti sono più c nella gamma di frequenza. Per questo motivo, le reti corrispondenti non sono prontamente disponibili.


Come gestiscono gli amplificatori VSWR?

Alcune tecniche possono essere implementate nella progettazione di amplificatori per gestire livelli più elevati di VSWR. La maggior parte degli amplificatori può gestire un VSWR 2: 1 poiché si tratta di una mancata corrispondenza molto comune. Molte specifiche dell'amplificatore hanno una valutazione di uscita nel caso peggiore di 2: 1, quindi deve essere in grado di proteggersi dal collegamento a un carico di 50 Ω. Gli amplificatori a stato solido in genere hanno una robustezza di gran lunga migliore di questa, possibilmente funzionando senza danni in cortocircuiti e si aprono mantenendo la piena potenza diretta.

Guidare la piena potenza nel carico può proporre una configurazione di prova non sicura poiché in genere un VSWR elevato è un segno di danno o un errore nella configurazione di prova. Poiché i livelli di potenza aumentano oltre i 100 watt fino a 1kW e oltre, è sempre più difficile costruire un amplificatore per gestire VSWR infinito o potenza riflessa al 100%. A volte si pensa che un amplificatore di classe A possa gestire intrinsecamente VSWR meglio di un amplificatore di classe AB. Questo non è necessariamente il caso. La robustezza va oltre la classe a cui sono influenzati gli amplificatori e ha più a che fare con la progettazione dei circuiti. Ma se il progetto non è in grado di gestire l'elevato VSWR, è possibile implementare altre protezioni.

Protezione dell'amplificatore

Protezione attiva: disponibile in diverse forme. Molti amplificatori avranno protezioni circuitali di base come sovratemperatura e corrente. Questi aiutano a proteggere l'amplificatore da un VSWR elevato ma non sono la ragione principale del loro utilizzo. Per salvaguardare da VSWR, la potenza di uscita e la potenza riflessa vengono solitamente monitorate e viene collegato un circuito di protezione. Vengono istituiti due metodi diversi:

Spegnimento: se viene misurata una potenza inversa elevata (o VSWR), l'amplificatore si spegnerà con un errore che indica il guasto. Il produttore lo imposta su quello che è un livello di potenza riflessa sicuro per l'amplificatore. Una volta eliminata la condizione di guasto, l'amplificatore può essere riutilizzato.
Foldback: se viene monitorata un'elevata potenza inversa, l'amplificatore riduce il guadagno interno, abbassando così l'uscita. Questo limita la potenza inversa dal superare una soglia mantenendo l'amplificatore attivo ma protetto da guasti.
Protezione non attiva: può essere implementata per ridurre il costo dell'amplificatore poiché l'installazione ha poche o nessuna possibilità di VSWR elevato. O nei casi in cui l'amplificatore è abbastanza robusto da gestire un VSWR elevato e quindi non necessita di protezione attiva. Un esempio di ciò sarebbe la protezione del circolatore. I circolatori impediscono alla potenza riflessa di tornare alla sorgente e sono disponibili per alcune gamme di frequenza e livelli di potenza. Normalmente non sono disponibili per applicazioni a banda larga <100 MHz.

Conclusione

La conoscenza dei livelli VSWR nella configurazione RF è essenziale da conoscere e comprendere per prevedere le prestazioni. VSWR alto è un termine relativo a seconda dell'applicazione. Nella stragrande maggioranza delle applicazioni di amplificazione, un 2: 1 è normale. Maggiore di 6: 1 o anche superiore a 4: 1 dovrebbe essere considerato alto. Un VSWR elevato è lo stress su tutti gli amplificatori che diventa molto preoccupante quando le potenze aumentano a oltre 500 watt. Sebbene le specifiche di un amplificatore possano indicare; "Può sopportare tutti i livelli di VSWR senza danni" non significa che non sia stressante per lo strumento. L'esposizione prolungata in questa condizione di VSWR elevata può avere effetti dannosi. È necessario prestare attenzione a utilizzare correttamente l'amplificatore e mantenere una configurazione di prova ben abbinata. Ciò prolungherà la vita dello strumento e l'investimento in attrezzature.

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