Ero sivun ”Seisovan aallon suhde” versioiden välillä

Radioamatööriwikistä
Siirry navigaatioon Siirry hakuun
>Oh7bf
(Lisätty heijastuskertoimeen itseisarvomerkit. Gamma on edelleenkin kompleksinen suure.)
 
(8 välissä olevaa versiota 4 käyttäjän tekeminä ei näytetä)
Rivi 1: Rivi 1:
[[Category:Yleistieto]][[Category:Suureet]][[Category:Mittayksiköt]] __TOC__
'''Seisovan aallon suhde''', engl. ''standing wave ratio'' ('''SWR''', vanhastaan myös SAS) on yksikötön suhdeluku joka kuvaa, kuinka paljon RF-siirtotielle lähetettyä tehoa heijastuu takaisin epäsovituksen vuoksi. SWR:n pienin arvo 1:1 tarkoittaa, että kaikki lähetetty teho siirtyy antenniin eikä yhtään tehoa palaa takaisin lähettimeen. Seisovan aallon suhde määräytyy siirtojohdon ja antennin impedansseista. Erikoistilanteessa, jossa antennin impedanssi on reaalinen eli puhdas vastus, seisovan aallon suhde on siirtojohdon ja antennin [[impedanssi]]en välinen suhde tai sen käänteisarvo, jotta lukuarvo olisi yksi tai sitä suurempi. Antenni-impedanssin sisältäessä reaktiisen osan seisovan aallon laskentakaava voidaan esittää usealla tavalla ja voidaan laskea heijastuskertoimen itseisarvon avulla kuten alla.
=Seisovan aallon suhde - Standing Wave Ratio=


Oikeastaan pitäisi puhua VSWR:stä (Voltage SWR), mutta useimmat jättävät "Voltage" (eli "jännite") sanan pois. Tämä on yksikötön suure (suhde on paljas luku, jolla ei ole "yksikköä", vrt. [[desibeli]]).
Oikeampi termi SWR:lle on VSWR (''Voltage SWR'', "jännite-SWR"), koska on helppo mitata siirtojohdon maksimi- ja minimijännite siirtojohdon eri kohdissa, mutta jännite jätetään usein mainitsematta. Toisaalta lukuarvona SWR on sama, kun mitataan maksimi- ja minimivirta siirtojohdon eri kohdissa. SWR ilmaisee sovituksen hyvyyden yhtenä paikasta riippumattomana reaalilukuna, mutta samalla menetetään tieto mittauspisteessä näkyvästä impedanssista.  


Tuntemattoman henkilön kuvaus seisovasta aallosta: <i>"Koko ajan tapahtuu jotain, vaikka ei itse asiassa tapahdu yhtään mitään"</i>
Lähettimeen takaisin heijastuva teho on ei-toivottu ilmiö, joka muodostaa siirtotielle seisovia aaltoja eli [[Jännite|jännitteen]] ja [[Virta|virran]] suhteen paikallaan pysyviä maksimi- ja minimikohtia. Pahimmillaan liian suuri heijastuva teho voi rikkoa lähettimen, minkä vuoksi normaali käytäntö on mitata antennit ennen käyttöä ja seurata SWR:ää lähetyksen aikana. SWR voidaan mitata [[SWR-mittari]]lla. Haitallinen SWR:n määrä riippuu lähetintehosta ja lähettimen ominaisuuksista, mutta nyrkkisääntönä on pitää SWR alle 2:1.


Jos [[Antenni|antennin]] ja [[Syöttöjohto|syöttöjohdon]] välillä on epäsovitus, kaikki [[Teho|teho]] ei siirrykään antenniin, vaan osa siitä heijastuu takaisin.
== Korkean SWR:n vaikutukset radioasemaan ==
Tyypillisessä radioamatöörin systeemissä korkea SWR-arvo kertoo epäsovituksesta jossakin antennikaapelin ''suunnalla''. Se ei välttämättä tarkoita, että antennissa olisi vikaa, vaan hämminki voi olla jossakin liitoksessa tai kaapelissa.


Syöttöjohtoon muodostuu [[Jännite|jännitteen]] ja [[Virta|virran]] suhteen maksimi- ja minimikohtia, jotka pysyvät paikallaan. Tätä kutsutaan seisovaksi aalloksi.
Pitkä ja vaimentava kaapeli vähentää lähettimen luona havaittavaa SWR:ää vähentäen sekä epäjatkuvuuskohtaan menevää tehoa että sieltä palaavaa tehoa. Pahimmillaan tuloksena oleva pieni SWR arvo voi johtaa harhaan ja antennin tai syöttöjohdon vioittumista ei havaita.
Seisovan aallon suhde on aina sama kuin syöttöjohdon ja antennin [[Impedanssi|impedanssin]] välinen suhde.
SWR on siis suhdetta ilmaiseva yksikkö, joten sen pienin mahdollinen arvo on 1.
SWR:n merkitystä liioitellaan usein.
SWR voidaan mitata [[SWR-mittari|SWR-mittarilla]].


Heijastumiskertoimen avulla saadaan määriteltyä kuormasta heijastuneet jännitteet ja virrat ja siten myös teho.
Vastaanotossa korkea SWR pienentää antennista siirtojohtoon tulevan signaalin voimakkuutta. Esim. SWR 10 aiheuttaa vajaan 5 dB vaimennuksen. Tuolla ei kuitenkaan ole HF-alueella suurta merkitystä, koska myös pohjakohina vaimenee saman verran. Sen sijaan VHF-alueella ylimääräinen 5 dB vaimennus on merkittävä huononnus, koska lähinna vastaanottimen kohinakerroin määrää signaalikohinasuhteen.


Heijastuskerroin <math>\rho\,</math> (rho) saadaan helpoimmin lähetetyn ja palaavan tehon mittaustulosten suhteena:
Putkilähettimen pääteaste voidaan virittää varsin laajalle kuormaimpedanssin alueelle ja siinä mielessä antennin SWR arvo ei ole merkittävä tekijä etenkin, jos syöttöjohdon vaimennus on pieni. Tyypillisesti vahvistin viritetään keinokuormaan, jolloin antennin ja syöttöjohdon impedanssien tulee olla lähellä keinokuorman impedanssia. Putkilähetin kestää tyypillisesti hetkellisesti (joitakin sekunteja) koko lähetystehonsa paluun ja jatkuvana SWR arvon 1,5 - 2 ja putkista riippuen jopa enemmänkin. Varovainen lähettimen käyttöönottaja testaa SWR:n määrän ja virittää lähettimen tai antennisovituslaitteen sen mukaisesti (mm. vaihdettuaan taajuutta!). Kun lähetin viritetään syöttöjohdon alapäässä näkyvään impedanssiin, niin edellä mainitut siedettävät SWR arvot pitää laskea tuohon impedanssiin verrattuna ja SWR arvoja ei voi suoraan mitata normaalilla SWR-mittarilla.
 
Puolijohdelähettimet ovat tavallisesti viritetty kiinteästi ja sietävät jatkuvana tyypillisesti SWR arvon 1,5 - 2. Modernit kaupalliset puolijohderadiot sisältävät suojauspiirejä, jotka pudottavat lähettimen tehoa tai jopa lopettavat kokonaan lähettämisen, kun ne havaitsevat liian suuren SWR arvon. Suojauspiirit ovat tarpeen, sillä isotehoiset puolijohdelähettimet eivät kestä muutamaa millisekuntia pidempään liiallista paluutehoa. Aiemman esimerkin perusteella voidaan todeta, että 10 % paluuteho saavutetaan, kun SWR:n arvo on hieman alle 2.
 
Suurilla, useiden kilowattien lähetystehoilla (esim. yleisradioasemat) liian suuri SWR todennäköisesti vahingoittaa lähetintä tai siirtolinjaa, mutta [[QRP]]-tehoilla tämä vaara on vähäisempi. Etenkin TV- ja ULA-asemilla kuitenkin pitkien syöttöjohtojen takia antennin hyvä seisovan aallon suhde on tarpeen lähetteen hyvyyden takaamiseksi. Monet nykyisistä QRP-radioista on varustettu FET-pääteasteen suojaamiseksi korkean SWR:n tunnistimella tai ylivirran suojauksella ([[ATS3B]]). Esimerkiksi Yaesun [[FT-817]] ei anna täyttä viiden watin tehoa, jos sovitus ei ole riittävän hyvä. Viritetty antenni (jolla on matala SWR) auttaa QRP-asemaa sekä kuulumaan että kuulemaan paremmin.
 
== Heijastuskerroin ==
 
Heijastuskertoimen avulla saadaan määriteltyä kuormasta heijastuneet jännitteet ja virrat ja siten myös teho.
 
Heijastuskerroin <math>\rho</math> (tai <math>\Gamma\,</math>) (rho) saadaan helpoimmin lähetetyn ja palaavan tehon mittaustulosten suhteena:
::<math>\rho = \sqrt{\frac{{\rm P_{palaava}}}{{\rm P_{lahteva}}}}</math>
::<math>\rho = \sqrt{\frac{{\rm P_{palaava}}}{{\rm P_{lahteva}}}}</math>
Heijastuskerroin voidaan laskea myös siirtojohdon ja kuorman impedansseista, jolloin allaolevissa kaavoissa on käytettävä heijastuskertoimen itseisarvoa.
Heijastuskertoimen pienin mahdollinen arvo on nolla, jolloin palaavaa tehoa ei ollenkaan, vaan kaikki menee mitä lähetetään.
Heijastuskertoimen pienin mahdollinen arvo on nolla, jolloin palaavaa tehoa ei ollenkaan, vaan kaikki menee mitä lähetetään.
Vastaavasti jollekin rajapinnalle voidaan myös määrittää [[läpäisykerroin]].


Heijastumiskerroin <math>\rho\,</math> ja SWR suhtautuvat toisiinsa:
Heijastuskerroin <math>\rho\,</math> ja SWR suhtautuvat toisiinsa:
::<math>\rho = \frac{{\rm SWR} - 1}{{\rm SWR} + 1}</math>
::<math>|\rho| = \frac{{\rm SWR} - 1}{{\rm SWR} + 1}</math>


::<math>{\rm SWR} = \frac{1 + \rho}{1 - \rho}</math>
::<math>\Gamma = \frac{Z_L - Z_0}{Z_L + Z_0}</math>


Heijastuskertoimen arvon lähestyessä nollaa (palaavaa tehoa on hyvin vähän) SWR arvo lähestyy ykköstä, mutta ei koskaan mene sen alle.
::<math>{\rm SWR} = \frac{1 + |\rho|}{1 - |\rho|}</math>


Heijastuskertoimen arvon lähestyessä ykköstä (kaiken tehon palatessa), SWR arvo lähestyy ääretöntä.
* Heijastuskertoimen arvon lähestyessä nollaa (palaavaa tehoa on hyvin vähän) SWR-arvo lähestyy ykköstä, mutta ei koskaan mene sen alle.
* Heijastuskertoimen arvon lähestyessä ykköstä (kaiken tehon palatessa), SWR-arvo lähestyy ääretöntä.


Heijastuskerroin voidaan esittää myös [[desibeli|desibeleinä]].
Heijastuskerroin voidaan esittää myös [[desibeli|desibeleinä]].


= Esimerkki =
=== Heijastuskerrointaulukko ===
{|
|-
! Kuormaimpedanssi <math>Z_L</math>
! VSWR
! Heijastuskerroin <math>\rho</math>
! Heijastuksen vaiheensiirto
|-
<!-- taulukko alkaa tästä -->
| <math>0 \Omega</math>    || <math>\inf:1</math> || <math>|-1|</math> || 180, <math>\pi</math>
|-
| <math>\frac{Z_0}{2}</math> || <math>1:2</math>  || -0.33 || 180, <math>\pi</math>
|-
| <math>Z_0 \Omega</math>  || <math>1:1</math>    || 0    || 0
|-
| <math>2 \cdot Z_0</math> || <math>2:1</math>    || 0.33  || 0
|-
| <math>\inf \Omega</math> || <math>\inf:1</math> || 1    || 0
|}
 
== Esimerkki ==


SWR:n ollessa 1,5 saadaan laskettua heijastumiskertoimen arvoksi 0,2.
SWR:n ollessa 1,5 saadaan laskettua heijastumiskertoimen arvoksi 0,2.
Heijastuneelle teholle kerroin korotetaan toiseen potenssiin, eli esimerkiksi 100 [[Watti|Watin]] teholla:
Heijastuneelle teholle kerroin korotetaan toiseen potenssiin, eli esimerkiksi 100 [[Watti|watin]] teholla:


::<math>0,2^2 \cdot 100W = 4W</math>
::<math>0,2^2 \cdot 100W = 4W</math>


Lähettimen teho vähenee heijastuneella teholla.
Lähettimen teho vähenee heijastuneella teholla.
Tässä tapauksessa siis silti noin 96% tehosta menee kuormaan, eli antenniin ja vain 4% tulee takaisin kiusaamaan lähetintä.
Tässä tapauksessa siis silti noin 96 % tehosta menee kuormaan, eli antenniin ja vain 4 % tulee takaisin kiusaamaan lähetintä.
 


Syöttämällä 50 Ohmin siirtolinjalla tehoa 150 Ohmin impedanssiin (vastukseen), saadaan SWR 3:1,  samoin on 50/3 = 16.7 Ohmin vastuksella.
Syöttämällä 50 Ohmin siirtolinjalla tehoa 150 Ohmin impedanssiin (vastukseen), saadaan SWR 3:1,  samoin on 50/3 = 16.7 Ohmin vastuksella.
Tätä tietoa voi halutessaan käyttää ''[[SWR-mittari]]n kalibroinnissa.''
Tätä tietoa voi halutessaan käyttää [[SWR-mittari]]n kalibroinnissa.
 
= Käytäntöä =
Tyypillisessä radioamatöörin systeemissä korkea SWR:n arvo kertoo epäsovituksesta jossakin antennikaapelin ''suunnalla''.
Se ei välttämättä tarkoita, että antennissa olisi vikaa vaan hämminki voi olla jossakin liitoksessa tai kaapelissa.
 
Pitkä ja vaimentava kaapeli vähentää lähettimen luona havaittavaa SWR:ää vähentäen sekä epäjatkuvuuskohtaan menevää tehoa, että sieltä palaavaa tehoa.
 
Haitallinen SWR:n määrä riippuu lähetintehosta ja lähettimen ominaisuuksista.
 
Putkilähettimet kestävät hetkellisiä (sekunti tai pari) liiallisia paluutehoja, mutta kaikki se energia päätyy kuumentamaan jotain mitä ei pitäisi kuumentaa liikaa, eikä sitä saa päästää tapahtumaan liian kauaa.
Varovainen lähettimen käyttöönottaja testaa SWR:n määrän lähetintä virittäessään (mm. vaihdettuaan taajuutta!)
Putkilähetin kestää tyypillisesti hetkellisesti koko lähetetehonsa paluun ja jatkuvana 5-10% lähetetehosta ja putkista riippuen jopa enemmänkin.
 
Modernit kaupalliset puolijohderadiot sisältävät itsesuojelupiirejä, jotka pudottavat lähettimen tehoa tai jopa lopettavat kokonaan lähettämisen, kun ne havaitsevat liikaa paluutehoa. Isotehoiset puolijohdelähettimet eivät kestä muutamaa millisekuntia pidempään liiallista paluutehoa - siksi suojauspiirit. Puolijohdelähettimet sietävät jatkuvana tyypillisesti 5-10% paluutehoa.
 
Edellisen laskuesimerkin perusteella voidaan todeta, että 10% paluuteho syntyy, kun SWR:n arvo on hieman alle 2.
 
Suurilla kilowattien lähetetehoilla (esim. yleisradioasemat) liian suuri SWR todennäköisesti vahingoittaa lähetintä tai siirtolinjaa, mutta [[QRP]]-tehoilla tämä vaaraa on vähäisempi. Monet nykyisistä QRP-radioista on varustettu FET-pääteasteen suojaamiseksi korkean SWR:n tunnistimella tai ylivirran suojauksella ([[ATS3B]]). Esimerkiksi Yaesun [[FT817ND]] ei anna täyttä viiden watin tehoa, jos sovitus ei ole riittävän hyvä. Viritetty antenni (jolla on matala SWR) auttaa QRP-asemaa sekä kuulumaan että kuulemaan paremmin.


Siirtolinjalla on SWR, vaikka sinne ei lähetettäisikään radiotehoa.
[[Luokka:Yleistieto]]
Korkea SWR (yli 10) tekee antennista kuin antennista erittäin huonokuuloisen, kun antennin saama radioteho siirtyy huonosti siirtolinjaan.
[[Luokka:Suureet]]
[[Luokka:Mittayksiköt]]
[[Luokka:Teoria]]

Nykyinen versio 26. helmikuuta 2022 kello 10.52

Seisovan aallon suhde, engl. standing wave ratio (SWR, vanhastaan myös SAS) on yksikötön suhdeluku joka kuvaa, kuinka paljon RF-siirtotielle lähetettyä tehoa heijastuu takaisin epäsovituksen vuoksi. SWR:n pienin arvo 1:1 tarkoittaa, että kaikki lähetetty teho siirtyy antenniin eikä yhtään tehoa palaa takaisin lähettimeen. Seisovan aallon suhde määräytyy siirtojohdon ja antennin impedansseista. Erikoistilanteessa, jossa antennin impedanssi on reaalinen eli puhdas vastus, seisovan aallon suhde on siirtojohdon ja antennin impedanssien välinen suhde tai sen käänteisarvo, jotta lukuarvo olisi yksi tai sitä suurempi. Antenni-impedanssin sisältäessä reaktiisen osan seisovan aallon laskentakaava voidaan esittää usealla tavalla ja voidaan laskea heijastuskertoimen itseisarvon avulla kuten alla.

Oikeampi termi SWR:lle on VSWR (Voltage SWR, "jännite-SWR"), koska on helppo mitata siirtojohdon maksimi- ja minimijännite siirtojohdon eri kohdissa, mutta jännite jätetään usein mainitsematta. Toisaalta lukuarvona SWR on sama, kun mitataan maksimi- ja minimivirta siirtojohdon eri kohdissa. SWR ilmaisee sovituksen hyvyyden yhtenä paikasta riippumattomana reaalilukuna, mutta samalla menetetään tieto mittauspisteessä näkyvästä impedanssista.

Lähettimeen takaisin heijastuva teho on ei-toivottu ilmiö, joka muodostaa siirtotielle seisovia aaltoja eli jännitteen ja virran suhteen paikallaan pysyviä maksimi- ja minimikohtia. Pahimmillaan liian suuri heijastuva teho voi rikkoa lähettimen, minkä vuoksi normaali käytäntö on mitata antennit ennen käyttöä ja seurata SWR:ää lähetyksen aikana. SWR voidaan mitata SWR-mittarilla. Haitallinen SWR:n määrä riippuu lähetintehosta ja lähettimen ominaisuuksista, mutta nyrkkisääntönä on pitää SWR alle 2:1.

Korkean SWR:n vaikutukset radioasemaan

Tyypillisessä radioamatöörin systeemissä korkea SWR-arvo kertoo epäsovituksesta jossakin antennikaapelin suunnalla. Se ei välttämättä tarkoita, että antennissa olisi vikaa, vaan hämminki voi olla jossakin liitoksessa tai kaapelissa.

Pitkä ja vaimentava kaapeli vähentää lähettimen luona havaittavaa SWR:ää vähentäen sekä epäjatkuvuuskohtaan menevää tehoa että sieltä palaavaa tehoa. Pahimmillaan tuloksena oleva pieni SWR arvo voi johtaa harhaan ja antennin tai syöttöjohdon vioittumista ei havaita.

Vastaanotossa korkea SWR pienentää antennista siirtojohtoon tulevan signaalin voimakkuutta. Esim. SWR 10 aiheuttaa vajaan 5 dB vaimennuksen. Tuolla ei kuitenkaan ole HF-alueella suurta merkitystä, koska myös pohjakohina vaimenee saman verran. Sen sijaan VHF-alueella ylimääräinen 5 dB vaimennus on merkittävä huononnus, koska lähinna vastaanottimen kohinakerroin määrää signaalikohinasuhteen.

Putkilähettimen pääteaste voidaan virittää varsin laajalle kuormaimpedanssin alueelle ja siinä mielessä antennin SWR arvo ei ole merkittävä tekijä etenkin, jos syöttöjohdon vaimennus on pieni. Tyypillisesti vahvistin viritetään keinokuormaan, jolloin antennin ja syöttöjohdon impedanssien tulee olla lähellä keinokuorman impedanssia. Putkilähetin kestää tyypillisesti hetkellisesti (joitakin sekunteja) koko lähetystehonsa paluun ja jatkuvana SWR arvon 1,5 - 2 ja putkista riippuen jopa enemmänkin. Varovainen lähettimen käyttöönottaja testaa SWR:n määrän ja virittää lähettimen tai antennisovituslaitteen sen mukaisesti (mm. vaihdettuaan taajuutta!). Kun lähetin viritetään syöttöjohdon alapäässä näkyvään impedanssiin, niin edellä mainitut siedettävät SWR arvot pitää laskea tuohon impedanssiin verrattuna ja SWR arvoja ei voi suoraan mitata normaalilla SWR-mittarilla.

Puolijohdelähettimet ovat tavallisesti viritetty kiinteästi ja sietävät jatkuvana tyypillisesti SWR arvon 1,5 - 2. Modernit kaupalliset puolijohderadiot sisältävät suojauspiirejä, jotka pudottavat lähettimen tehoa tai jopa lopettavat kokonaan lähettämisen, kun ne havaitsevat liian suuren SWR arvon. Suojauspiirit ovat tarpeen, sillä isotehoiset puolijohdelähettimet eivät kestä muutamaa millisekuntia pidempään liiallista paluutehoa. Aiemman esimerkin perusteella voidaan todeta, että 10 % paluuteho saavutetaan, kun SWR:n arvo on hieman alle 2.

Suurilla, useiden kilowattien lähetystehoilla (esim. yleisradioasemat) liian suuri SWR todennäköisesti vahingoittaa lähetintä tai siirtolinjaa, mutta QRP-tehoilla tämä vaara on vähäisempi. Etenkin TV- ja ULA-asemilla kuitenkin pitkien syöttöjohtojen takia antennin hyvä seisovan aallon suhde on tarpeen lähetteen hyvyyden takaamiseksi. Monet nykyisistä QRP-radioista on varustettu FET-pääteasteen suojaamiseksi korkean SWR:n tunnistimella tai ylivirran suojauksella (ATS3B). Esimerkiksi Yaesun FT-817 ei anna täyttä viiden watin tehoa, jos sovitus ei ole riittävän hyvä. Viritetty antenni (jolla on matala SWR) auttaa QRP-asemaa sekä kuulumaan että kuulemaan paremmin.

Heijastuskerroin

Heijastuskertoimen avulla saadaan määriteltyä kuormasta heijastuneet jännitteet ja virrat ja siten myös teho.

Heijastuskerroin (tai ) (rho) saadaan helpoimmin lähetetyn ja palaavan tehon mittaustulosten suhteena:

Heijastuskerroin voidaan laskea myös siirtojohdon ja kuorman impedansseista, jolloin allaolevissa kaavoissa on käytettävä heijastuskertoimen itseisarvoa. Heijastuskertoimen pienin mahdollinen arvo on nolla, jolloin palaavaa tehoa ei ollenkaan, vaan kaikki menee mitä lähetetään. Vastaavasti jollekin rajapinnalle voidaan myös määrittää läpäisykerroin.

Heijastuskerroin ja SWR suhtautuvat toisiinsa:

  • Heijastuskertoimen arvon lähestyessä nollaa (palaavaa tehoa on hyvin vähän) SWR-arvo lähestyy ykköstä, mutta ei koskaan mene sen alle.
  • Heijastuskertoimen arvon lähestyessä ykköstä (kaiken tehon palatessa), SWR-arvo lähestyy ääretöntä.

Heijastuskerroin voidaan esittää myös desibeleinä.

Heijastuskerrointaulukko

Kuormaimpedanssi VSWR Heijastuskerroin Heijastuksen vaiheensiirto
180,
-0.33 180,
0  0
0.33 0
1 0

Esimerkki

SWR:n ollessa 1,5 saadaan laskettua heijastumiskertoimen arvoksi 0,2. Heijastuneelle teholle kerroin korotetaan toiseen potenssiin, eli esimerkiksi 100 watin teholla:

Lähettimen teho vähenee heijastuneella teholla. Tässä tapauksessa siis silti noin 96 % tehosta menee kuormaan, eli antenniin ja vain 4 % tulee takaisin kiusaamaan lähetintä.

Syöttämällä 50 Ohmin siirtolinjalla tehoa 150 Ohmin impedanssiin (vastukseen), saadaan SWR 3:1, samoin on 50/3 = 16.7 Ohmin vastuksella. Tätä tietoa voi halutessaan käyttää SWR-mittarin kalibroinnissa.