Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) и обратные потери

Передача ВЧ-мощности и согласование импедансов

Для обеспечения максимальной передачи ВЧ-мощности импедансы источника и нагрузки должны быть согласованы. В большинстве ВЧ-систем применяется стандартный импеданс 50 Ом, однако возможен также импеданс 75 Ом — в таких приложениях, как кабельное телевидение. Если импедансы согласованы, ВЧ-мощность источника полностью передается на нагрузку с минимальным отражением.

Однако в реальных условиях устройства зачастую имеют полное сопротивление, состоящее из активных (действительных) и реактивных (мнимых) составляющих. Эти составляющие могут изменяться в зависимости от частоты, особенно в таких устройствах, как антенны, где импеданс существенно различается в пределах рабочего диапазона.

Рассогласование импедансов вызывает передачу мощности отраженного сигнала обратно на источник. Это ведет к снижению эффективности системы и риску повреждения компонентов (усилители и пр.). Отражения также могут ухудшать качество сигнала, создавать стоячие волны и генерировать тепло, что становится причиной сбоев в работе и сокращению срока службы компонентов. Рассогласования в ВЧ-системах могут существенно изменять параметры цепей и усложнять измерения.

Обратные потери и КСВН

Мощность отраженного сигнала количественно определяется относительно мощности прямого сигнала с помощью двух основных показателей: обратные потери и КСВН.

• Обратные потери: это значение выражает разность в децибелах (дБ) между мощностью прямого и отраженного сигнала. Чем выше значение обратных потерь, тем ниже отражение и тем выше эффективность передачи мощности. Например, при мощности прямого сигнала 50 дБмВт и мощности отраженного сигнала 10 дБмВт обратные потери составляют 40 дБ.

• КСВН: это значение выражает соотношение максимального и минимального напряжения стоячей волны, образуемой при пересечении прямого и отраженного сигналов. При идеальном согласовании КСВН равен 1, т. е. мощность отраженного сигнала отсутствует. Чем выше значение КСВН, тем больше отражение. Например, при КСВН=1,5 отражается лишь 4 % мощности прямого сигнала, а при КСВН=6 отражение достигает 50 %.

Решения для высокого КСВН

Высокие КСВН могут означать значительные неэффективности и риски:

• Потери энергии: увеличение отражения снижает количество мощности, подаваемой на нагрузку.
• Повреждения оборудования: избыточное отражение мощности может стать причиной повреждения чувствительных компонентов на ВЧ-источнике.

Во избежание этих рисков применяются два общих подхода:

Согласующие цепи: эти цепи с помощью емкостных и индуктивных элементов подстраивают импеданс нагрузки под импеданс источника. Данный метод особенно эффективен в устройствах с частотно-зависимыми импедансами (например, в антеннах).

Защита от возврата сигнала: путем снижения мощности прямого сигнала в условиях высоких отражений обеспечивается защита ВЧ-источника от повреждений. Данный метод часто применяется в системах высокой мощности (например, в широкополосных усилителях).