Seisovan aallon suhde

Radioamatööriwikistä
(Ohjattu sivulta SWR)
Siirry navigaatioon Siirry hakuun

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.