ЧТО ТАКОЕ КСВ? ПОЧЕМУ НЕЛЬЗЯ 75 оМ, А НУЖНО 50 Ом

КОЭФФИЦИЕНТ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ, ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ПОТЕРИ В ЛИНИЯХ ПРИЁМА/ПЕРЕДАЧИ.

Так или иначе, любой человек, интересующийся техникой радиосвязи, рано или поздно, сталкивается с лаконичным термином «КСВ». При этом, если даже начинающему радиолюбителю известно, что значение КСВ должно быть как можно меньше, то какова физическая сущность этого параметра, а также степень его влияния на уровень потерь энергии в линии, ясно не всегда и не каждому.

Начнём с торжественного, но малопонятного определения из википедии:

«Коэффициент стоячей волны (КСВ, от англ. standing wave ratio, SWR) — отношение наибольшего значения амплитуды напряжённости электрического или магнитного поля стоячей волны в линии передачи к наименьшему».

Желающие могут посмотереть очень интересное видео в котором мы исследуем как 75 Ом влияет на работу 4G антенны 50 Ом 

Для мало-мальского понимания вышесказанного, давайте представим линию передачи, состоящую из источника сигнала (генератора, передатчика и т.д.), фидера (кабеля, соединяющего источник с антенной) и, собственно говоря, самой антенны.

Фанатично вдаваться в глубину процесса - дело долгое и нудное, поэтому поверим на слово специалистам-теоретикам: при несовпадении входных/выходных сопротивлений всех перечисленных устройств, часть энергии генератора отражается от нагрузки и в виде отражённой волны возвращается обратно в линию.

Таким образом, в результате сложения (по-умному интерференции) падающей и отражённой волн возникает стоячая волна, проявляющаяся в виде периодического изменения амплитуды напряжённости электрического и магнитного полей вдоль направления распространения сигнала в линии передачи.

Рис.1

На рисунке показаны эпюры напряжения в линии в различные моменты времени.

Налицо колебательный процесс изменения амплитуды, связанный с тесным взаимодействием входного сигнала постоянной амплитуды с сигналом, отражённым от несогласованной нагрузки и имеющим ту же самую частоту, но сдвинутым по отношению к входному по фазе.

К частоте этого колебательного процесса отнесёмся индифферентно, а вот размах изменения амплитуды как раз и определяет параметр коэффициента стоячей волны.
Формула здесь очень простая:

КСВ = U_max/U_min,   где
U_max = U_ген+ U_отр,
U_min = U_ген- U_отр

Величина, обратная КСВ, называется КБВ (коэффициент бегущей волны):
КБВ = 1/КСВ

Рассмотрим две крайние ситуации:

1. Umin=0, соответственно КСВ=∞ - волна чисто "стоячая", переноса энергии нет. На практике возникает в ситуациях КЗ или обрыва в цепи нагрузки.

2. Umin=Umax, КСВ=1, волна чисто "бегущая", отражений нет, вся энергия от источника попадает в нагрузку - можно получить только на резистивной нагрузке, либо идеально согласованных элементах в линии передачи.

А как нам нужно расстараться, чтобы правильно согласовать компоненты связной аппаратуры?
Ответ не сложен - уравнять все входные/выходные импедансы устройств, входящих в приёмо-передающий тракт.

Волновое сопротивление коаксиального кабеля (как правило, 50 Ом либо 75 Ом) - величина, зависящая от соотношения диаметров внутреннего и внешнего проводников, и вполне строго соответствует величине, обозначенной производителем.

Входной/выходной импеданс приёмника/передатчика не слишком сложными схемотехническими ухищрениями выводится на уровень сопротивления кабеля, соединяющего радиостанцию (модем/роутер) с антенной.

К слову говоря, добавим, что все модемы и роутеры используемые в сотовой связи используют волновое сопротивление 50 Ом. Это мировой стандарт и поэтому все антенны и кабели, используемые в сотовой связи, должны быть с волновым сопротивлением 50 Ом и иметь малые затухания. В качестве примера можно рассмотреть кабели 50 Ом марок 5D-FB, 8D-FD, 10D-FB. А вот коаксиальный кабель 50 Ом марки rg-58 использовать нежелательно, так как у него высокие затухания сигнала на высоких частотах 3G/4G LTE
Чем длинее кабельная трасса, там выше марка кабеля должна использоваться.

Под стандарт 50 Ом есть качественные антенны трговой марки VARIUS

Остаётся самое ничего - согласовать антенну со всем остальным хозяйством для минимизации величины коэффициента стоячей волны.
Можно, конечно, сделать страшное лицо и гавкнуть в её сторону: - Не гони обратную волну!
Но это вряд ли... Не услышит... Она ж металлическая.

Короче, обсуждать тему проектирования и согласования приёмо-передающих антенн мы в рамках этой статьи не станем. Для этого есть достаточное количество умных и толстых книг, в которых без матерных излишеств и фонетических шероховатостей даны ответы на все касающиеся антенн головоломки.
Также у нас есть исследование в МТУСИ в котором мы показали интересные моменты согласования.

Итак, всё понятно - необходимо стремиться к минимуму значения КСВ.
Если кто не догадался, глядя на формулу, или непринуждённо обошёл её вниманием - меньше единицы нам ужать этот параметр не удастся, как лбом не бейся ты о стенку. Поэтому наша глобальная цель - КСВ=1.

Ну, а если встал вопрос о том, какое отклонение КСВ от 1 можно считать приемлемым для наших радиолюбительских целей, следует припасть к формуле, позволяющей оценить потери мощности рассеивания за счёт неидеальности согласования входных/выходных сопротивлений устройств.

А слегка поднатужившись на сетевой полянке, пытливый ум отыщет и знаний золотую жилу в виде симпатичной таблички, представляющей из себя графическое выражение данной формулы.

По большому счёту, при невысоких подводимых мощностях, потери из-за неединичного КСВ - не так уж и катастрофичны.
Даже при КСВ=5 потери эти составят 2,51дБ (или 44% от поступающей мощности), т.е. 56% всё-таки выскользнет из кабеля и будет доступно для излучения полотном антенны.
А при КСВ=2, вообще получается 0,48дб (или 11%) потерь.

А куда девается энергия потерь?
Бегает по фидеру, и чем больше КСВ, тем большая часть энергии идёт на "обогрев" кабеля. Поэтому при значительных выходных мощностях и высоком КСВ возникает опасность теплового повреждения кабеля.

На практике при проектировании радиопередающих устройств следует исходить из максимальной величины КСВ, не превышающей 2.
Вот что пишет в журнале Радиомир КВ-УКВ 12/2001, с.32-34 уважаемый радиолюбитель, автор статьи "ПPOCTO ОБ АНТЕННАХ, ИЛИ ИЗМЕРЯЕМ КСВ" В. Башкатов:

«При КСВ=2, напряжение в максимуме стоячей волны всего лишь на 30% превышает то, что мы наблюдаем при КСВ=1.
Такое превышение, как правило, не опасно для широкополосных транзисторных усилителей мощности, даже если этот максимум напряжения окажется непосредственно в месте подключения фидера. Да и возрастание напряжения на элементах выходного каскада из-за его недогрузки ещё не будет катастрофическим.
Во всяком случае, для аппаратуры заводского изготовления с транзисторными выходными каскадами КСВ=2 устанавливается предельным, при котором гарантируется ее работоспособность».

Ну и напоследок:
КСВ обозначает лишь степень согласования радиостанции (модем/роутер) с фидером и антенной и никоим образом не указывает ни на эффективность антенны, ни на её частотные характеристики.
Наилучшим КСВ, равным 1 в широчайшей полосе частот, обладает линия с подключённым к кабелю 50-ти омным резистором. А кому придёт в голову использовать резистор в качестве антенны? Разве что отбившемуся от стаи, ярому фанату антеннки mini-whip.

В наших исследованиях в МТУСИ мы обратили внимание, что высокий коэффициент передачи антенны не всегда линейно совпадает с низким КСВ. Очень часто, антенна имеет наилучшее усиление совсем не в той точе, где КСВ максимально снижен.

Подробнее в нашем плей-листе где мы сравниваем разные антенны и коаксиальные кабели