Tỷ số sóngđiện áp đứng, viết tắt là VSWR trong tiếng Anh, là một khái niệm quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật điện. Nó đề cập đến tình huống sóng phản xạ chồng lên sóng tới để tạo thành sóng đứng trên cáp. Điều này dẫn đến biên độ điện áp và dòng điện khác nhau tại mỗi điểm dọc theo cáp, thay đổi với chu kỳ Z/2.

Định nghĩa

Tỷ lệ sóng điện áp đứng, VSWR được định nghĩa là tỷ lệ của điện áp tối đa đến tối thiểu trên đường dây không tổn hao. Tỷ lệ kết quả thường được trả về như 5:1, 3:1... tỷ lệ kết hợp hoàn hảo là 1:1. Trên thực tế, có suy hao trên tất cả các đường truyền. Để đo sóng đứng, công suất ngược và công suất trực tiếp được đo trên một điểm trên đường truyền và kết quả được chuyển đổi thành kết quả đo sóng đứng. VSWR được đo tại một điểm và điện áp cực tiểu cực đại không cần phải xác định trên chiều dài của đường dây dẫn.

Ảnh hưởng đến hiệu suất

Có một số cách mà VSWR ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống máy phát hoặc bất kỳ hệ thống nào có thể sử dụng sóng RF và trở kháng phù hợp.

Mặc dù thuật ngữ VSWR thường được sử dụng, cả sóng điện áp và sóng đứng có thể gây ra vấn đề. Một số ảnh hưởng được nêu chi tiết dưới đây:

- Bộ khuếch đại công suất máy phát có thể bị hỏng

Việc tăng mức điện áp và dòng điện nhìn thấy trên bộ cấp nguồn do sóng đứng, có thể làm hỏng các bóng bán dẫn đầu ra của máy phát. Các thiết bị bán dẫn rất đáng tin cậy nếu được vận hành trong giới hạn quy định, nhưng điện áp và sóng đứng trên bộ cấp nguồn có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng nếu chúng làm cho thiết bị hoạt động ngoài giới hạn của chúng.

Bảo vệ -PA làm giảm công suất đầu ra

Trước nguy cơ gây ra thiệt hại cho bộ khuếch đại công suất của các mức SWR cao, nhiều máy phát được kết hợp mạch bảo vệ làm giảm đầu ra từ máy phát khi SWR tăng. Điều này có nghĩa là sự kết hợp kém giữa bộ nạp và ăng ten sẽ dẫn đến SWR cao khiến đầu ra bị giảm và do đó làm giảm đáng kể công suất truyền.

-Các mức điện áp và dòng điện cao có thể làm hỏng bộ cấp liệu

Mức điện áp cao và dòng điện gây ra bởi tỷ lệ sóng đứng cao có thể gây ra thiệt hại cho bộ cấp nguồn. Mặc dù trong hầu hết các trường hợp, các bộ cấp liệu sẽ được vận hành tốt trong giới hạn của chúng và việc tăng gấp đôi điện áp và dòng điện có thể được cung cấp, có một số trường hợp có thể gây ra thiệt hại. Cực đại hiện tại có thể gây ra sự gia nhiệt cục bộ quá mức có thể làm biến dạng hoặc làm chảy nhựa được sử dụng, và điện áp cao được biết là có thể gây ra các đột biến điện áp trong một số trường hợp.

-Sự chậm trễ gây ra bởi phản xạ có thể gây ra sự biến dạng:  

Khi một tín hiệu phản xạ không phù hợp, nó sẽ bị phản xạ trở lại nguồn và sau đó có thể bị phản xạ lại về phía ăng-ten.

Thời gian trễ được đưa vào bằng hai lần thời gian truyền của tín hiệu dọc theo bộ trung chuyển.

Nếu dữ liệu đang được truyền, điều này có thể gây ra nhiễu giữa các ký hiệu và trong một ví dụ khác khi truyền hình tương tự, hình ảnh “bóng ma” đã được nhìn thấy.

Điều thú vị là sự mất mát mức tín hiệu do VSWR kém gần như không lớn như một số người có thể tưởng tượng.

Bất kỳ tín hiệu nào được phản xạ bởi tải, sẽ được phản xạ trở lại máy phát và khi sự phù hợp tại máy phát có thể cho phép tín hiệu được phản xạ trở lại ăng-ten, tổn thất phát sinh về cơ bản là những tổn thất do bộ nạp đưa vào.

Có các bit quan trọng khác cần được đo lường trong hiệu quả của ăng-ten: hệ số phản xạ, tổn thất không phù hợp và tổn thất trả về cho một số ít. VSWR không phải là phần cuối của lý thuyết ăng-ten, nhưng nó rất quan trọng.

Đo và tính toán

VSWR luôn là một hoặc lớn hơn; VSWR bằng 1 biểu thị toàn bộ công suất được truyền đến tải. Khi xảy ra sự không khớp, một phần công suất được phản xạ trở lại nguồn, tạo ra sóng dừng. Sự không khớp càng lớn, VSWR càng cao.

Hình 1. Sự không phù hợp về trở kháng giữa nguồn và tải dẫn đến công suất phản xạ và dạng sóng điện áp liên quan trong đồ thị.

Hình 1 cho thấy khi trở kháng tại nguồn và tải khớp nhau, không có công suất phản xạ, nhưng trở kháng không khớp sẽ dẫn đến công suất phản xạ. Dạng sóng màu xanh lá cây là điện áp đi ra từ nguồn, dạng sóng màu đỏ là điện áp đi vào nguồn và dạng sóng màu tím là VSWR. Điện áp cao nhất và thấp nhất lần lượt là 1.5 V và 0.5 V, dẫn đến VSWR là 1.5/0.5=3.

Tính chất phản xạ cũng có thể giúp đo VSWR. Hình 2 hiển thị một bộ tuần hoàn được kết nối giữa nguồn (đầu vào) và tải (đầu ra), có thể được kết nối với máy phân tích mạng vectơ RF để đo hệ số phản xạ (Γ).

Hình 2. Nguyên lý đo VSWR dựa trên đặc tính phản xạ.

Sau khi có được giá trị hệ số phản xạ (Γ), nó có thể được thay thế trong công thức chuẩn (Hình 3) để đo VSWR. Như đã đề cập trong Hình 3, giá trị hệ số phản xạ cũng thường được sử dụng để tìm công suất phản xạ (%), công suất truyền tới (%), tổn thất phản hồi (dB) và tổn thất không khớp (dB).

Hình 3. Các công thức được sử dụng phổ biến nhất để tính toán VSWR và các thông số quan trọng khác liên quan đến đường truyền.

Tổn thất phản hồi và tổn thất không khớp cũng là các thông số quan trọng trong miền VSWR. Tổn thất phản hồi là sự khác biệt giữa công suất hướng tới và công suất phản xạ, trong khi tổn thất không khớp là tổn thất công suất do trở kháng không khớp.

Sóng đứng và trở kháng

Trong các hệ thống truyền thông và RF khác, tất cả các đường truyền, bộ cấp và tải đều có một trở kháng đặc trưng nào đó. Đối với các ứng dụng RF, 50Ω là giá trị trở kháng phổ biến. Để đảm bảo truyền tải công suất tối đa từ nguồn hoặc máy phát tín hiệu đến đường truyền hoặc từ đường truyền đến tải, các mức trở kháng của chúng phải khớp nhau. Đối với hệ thống 50Ω, trở kháng nguồn, trở kháng của đường truyền và trở kháng của tải đều phải là 50Ω.

Tuy nhiên, những sự khớp này không phải lúc nào cũng xảy ra. Trên thực tế, sự không khớp về trở kháng giữa đường dây và tải có thể và thường xảy ra. Trong những tình huống như vậy, tất cả năng lượng được truyền vào đường dây và di chuyển về phía tải không được truyền đến tải. Vì công suất này phải đi đâu đó (nó không thể biến mất), nó sẽ quay trở lại theo đường dây về phía nguồn. Khi điều này xảy ra, điện áp và dòng điện của các sóng tới và phản xạ cộng hoặc trừ tại các điểm khác nhau, dẫn đến sóng đứng và mất mát hiệu suất truyền dẫn.

Hiệu năng

Sóng đứng ảnh hưởng đến hiệu suất truyền tải công suất trong bất kỳ hệ thống nào sử dụng RF và trở kháng phù hợp. Nói một cách đơn giản, có một sự mất mát đáng kể trong công suất truyền tải. Vì sóng đứng dẫn đến mức điện áp và dòng điện tăng lên ở một số điểm dọc theo đường truyền, chúng có thể làm hỏng các transistor đầu ra của bộ phát. Những mức độ cao này cũng có thể làm hỏng bộ cấp nguồn với sự nóng cục bộ quá mức hoặc hồ quang.

Sự không khớp về trở kháng có thể khiến tín hiệu phản xạ trở lại về phía nguồn và ăng-ten. Điều này có thể gây ra độ trễ truyền tín hiệu cũng như nhiễu giữa các tín hiệu. Trong các ứng dụng tương tự, chẳng hạn như TV tương tự cũ, sự can thiệp có thể dẫn đến hình ảnh "ma" phản chiếu trên màn hình.

Kết luận

VSWR là một thông số kỹ thuật quan trọng trong các sản phẩm và thành phần liên quan đến hệ thống RF. Một hệ thống RF có thể giao tiếp tốt từ nguồn đến tải thông qua đường truyền. Giá trị VSWR cũng tạo thành cơ sở để đưa ra các giá trị tham số quan trọng khác, chẳng hạn như tổn thất phản hồi và tổn thất không khớp. Có thể vận hành hệ thống RF với tổn thất công suất tối thiểu và cải thiện chất lượng tín hiệu với tất cả các tham số này.

‍