VSWR e seus efeitos em amplificadores de potência

VSWR - Voltage Standing Wave Ratio é o resultado que acontece a partir de uma diferença de impedância entre uma fonte (um amplificador) e uma carga (aplicação de teste). Essa incompatibilidade pode influenciar o desempenho da fonte. VSWR não é um conceito difícil de entender, mas seus efeitos na instrumentação podem ser mais difíceis de perceber. Neste artigo, a Exodus Advanced Communications enfocou os amplificadores de alta potência RF / Microondas e como eles reagem a este problema físico comum. Os amplificadores às vezes precisam instituir proteções para evitar que sejam danificados. Primeiro, vamos entender o VSWR.

A maioria dos sistemas de RF e microondas são baseados na impedância especificada, que geralmente é de 50 Ω. A instrumentação e os componentes em um sistema de teste de RF serão projetados para manter essa impedância na medida do possível. Isso permite uma transferência de poder conhecida e previsível. Idealmente, tudo seria exatamente 50 Ω, mas como todos sabemos, vivendo no mundo real existem variações. Se a instrumentação cobrir uma ampla faixa de frequência ao longo de muitas décadas, torna-se muito mais desafiador manter a impedância ideal de 50. Algum nível de VSWR é inevitável.

VSWR é calculado pelo seguinte: 

É uma proporção simples das diferenças de impedância. Quanto maior a impedância (ZL), menor a impedância (ZO). 50 Ω / 50 Ω = 1 é o resultado ideal. Pode ser escrito sozinho e sem unidades ou, em alguns casos, como uma proporção, por exemplo; 2: 1, 4: 1 ou 10: 1. Quanto maior for a diferença de impedância, maior será o VSWR. Qual é o resultado de um grande VSWR ou pequeno VSWR? A equação a seguir mostra uma maneira diferente de encontrar VSWR conhecendo a potência direta e reversa (ou refletida):

Esta equação introduz potência que nos permite agora entender um pouco mais que a incompatibilidade está fazendo com que a potência seja refletida de volta para o amplificador. A potência refletida é a perda de potência não transmitida ou recebida pela carga. Ter uma incompatibilidade reduz a potência fornecida e a eficiência do sistema. Deve-se tentar minimizar a perda de energia.

O poder perdido que se reflete para onde vai? Sabemos da Lei de Newtons de conservação de energia que deve ir a algum lugar. Ele acaba voltando para o amplificador. Portanto, o amplificador deve lidar com essa potência refletida voltando para ele. Essa energia refletida cria uma onda estacionária com a saída + o refletido. Olhando para o pior caso de VSWR infinito, isso ocorre com uma abertura ou um curto na saída ou carga do amplificador. O VSWR infinito causa uma reflexão de 100%, o que pode dobrar a voltagem, colocando assim todos os componentes internos em tensão. O estresse pode se manifestar como dissipação de calor ou tensões mais altas, esta tensão mais alta empurra os limites de quebra de tensão.

Quanta potência refletida o amplificador deve ser capaz de lidar? Depende do tamanho da incompatibilidade. Para isso, precisamos entender o que é típico na maioria dos aplicativos de teste. Na maioria das aplicações, o amplificador, a carga e a configuração são estáveis ​​e projetados com o VSWR mais baixo, geralmente mantido abaixo de 2: 1. Onde 10% da potência pode ser refletida. 10% + 100% da potência pretendida = 110% da potência total que pode precisar ser dissipada.

Exemplos desses sistemas são geralmente transmissores de banda estreita, em que o projeto de antenas ou linhas de transmissão é um pouco mais fácil em comparação com as aplicações de banda larga. No entanto, existem aplicações onde mais de 2: 1 pode ser visto. O alto VSWR geralmente se deve a testes com banda muito larga, alta potência e cargas mal combinadas. É melhor evitar essa situação o máximo possível; no entanto, às vezes essa condição é inevitável, pois o teste ainda deve ser feito. Abaixo está um gráfico mostrando VSWR vs. potência refletida.

O gráfico acima mostra que conforme o VSWR aumenta, também aumenta a quantidade de potência perdida. Em um VSWR 6: 1, 50% da sua potência é perdida como energia desperdiçada e pode exigir um amplificador maior para compensar o aumento do custo de sua aplicação de teste.

Exemplos de aplicações onde as cargas podem ter alto VSWR: banda larga de baixa frequência (<100 MHz), teste EMC para imunidade radiada e imunidade conduzida, experimentação onde a carga pode não ser conhecida ou casos em que a carga falhou ou foi danificada. Deve-se tomar cuidado para combinar melhor as impedâncias, e toda a instrumentação pode lidar com o VSWR. Lembre-se de que o VSWR é diferente na faixa de frequência. Níveis mais altos de VSWR são um sinal de uma configuração ruim. Devem ser tomadas medidas para melhorar o casamento de impedância.

Melhorando VSWR

É bom começar com componentes, interconexões, cabos coaxiais e cargas / transdutores de boa qualidade com baixas classificações de VSWR. Se você tiver que usar uma carga / transdutor com alto VSWR e precisar melhorar o VSWR visto pelo amplificador, o que você pode fazer? A maneira mais comum de melhorar o VSWR é usar um atenuador, às vezes chamado de PAD. Um 3dB PAD adicionado à entrada da carga / transdutor melhora a correspondência. Este método é usado muitas vezes ao testar com sondas de injeção de corrente em massa (BCI) e antenas bicônicas (Bi-Con) bicônicas.

O aspecto negativo disso é que 3dB ou ½ da potência é fornecida; 500 watts agora se tornam 250 watts. Uma alternativa é ter uma rede compatível que transforme a mudança no design do omplex, que corresponda apenas à carga para a qual foi projetada e pode ter impedância limitada. Assim, perdendo menos potência do que um atenuador. As redes correspondentes são mais c na faixa de frequência. Por esse motivo, as redes correspondentes não estão prontamente disponíveis.


Como os amplificadores lidam com VSWR?

Algumas técnicas podem ser implementadas no projeto de amplificadores para lidar com níveis mais elevados de VSWR. A maioria dos amplificadores pode lidar com um VSWR 2: 1, pois esta é uma incompatibilidade muito comum. Muitas especificações de amplificador têm uma classificação de saída de pior caso de 2: 1, portanto, ele deve ser capaz de se proteger contra conexão a uma carga de 50Ω. Amplificadores de estado sólido normalmente têm uma robustez muito melhor do que este, possivelmente funcionando sem danos em curtos e abertos, mantendo a potência de avanço total.

Aplicar potência total na carga pode propor uma configuração de teste insegura, pois normalmente um alto VSWR é um sinal de dano ou um erro na configuração do teste. À medida que os níveis de potência aumentam acima de 100 watts para 1kW e, além disso, é cada vez mais difícil construir um amplificador para lidar com VSWR infinito ou 100% da potência refletida. Às vezes, pensa-se que um amplificador de Classe A pode lidar inerentemente com VSWR melhor do que um amplificador de Classe AB. Este não é necessariamente o caso. A robustez vai além da classe em que os amplificadores são tendenciosos e tem mais a ver com o design do circuito. Mas se o projeto não puder lidar com o alto VSWR, outras proteções podem ser implementadas.

Proteção de amplificador

Proteção ativa - vem em diferentes formas. Muitos amplificadores terão proteções básicas de circuito, como sobretemperatura e corrente. Isso ajuda a proteger o amplificador de alto VSWR, mas não é o principal motivo de seu uso. Para proteger do VSWR, a potência de saída e a potência refletida são geralmente monitoradas, e um circuito de proteção é conectado. Dois métodos diferentes são instituídos:

Desligamento - se uma alta potência reversa (ou VSWR) for medida, o amplificador será desligado com um erro indicando a falha. O fabricante define isso para o que é um nível de potência refletido seguro para o amplificador. Assim que a condição de falha for eliminada, o amplificador pode ser usado novamente.
Foldback - se alta potência reversa for monitorada, o amplificador reduz seu ganho interno, diminuindo assim a saída. Isso limita a potência reversa de exceder um limite, mantendo o amplificador ativo, mas protegido contra falhas.
Proteção inativa - pode ser implementada para reduzir o custo do amplificador, uma vez que a configuração tem pouca ou nenhuma chance de alto VSWR. Ou nos casos em que o amplificador é robusto o suficiente para lidar com VSWR alto e, portanto, não precisa de proteção ativa. Um exemplo disso seria a proteção do circulador. Os circuladores evitam que a energia refletida retorne à fonte e estão disponíveis para algumas faixas de frequência e níveis de energia. Normalmente, não estão disponíveis para aplicações de banda larga <100MHz.

Conclusão

O conhecimento dos níveis de VSWR na configuração de RF é essencial para conhecer e compreender para prever o desempenho. Alto VSWR é um termo relativo dependendo da aplicação. Na grande maioria das aplicações de amplificadores, um 2: 1 é normal. Acima de 6: 1 ou mesmo acima de 4: 1 deve ser considerado alto. O VSWR alto é o estresse em todos os amplificadores, tornando-se muito preocupantes à medida que as potências aumentam para mais de 500 watts. Embora as especificações de um amplificador possam indicar; “Ele pode suportar todos os níveis de VSWR sem danos” não significa que não seja estressante para o instrumento. A exposição prolongada nesta condição de alto VSWR pode ter efeitos prejudiciais. Deve-se tomar cuidado para usar o amplificador corretamente e manter uma configuração de teste bem combinada. Isso estenderá a vida útil do instrumento e o investimento no equipamento.

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