что такое ксв в радиосвязи
Что такое КСВ и чем его закусывать?
Коэффициент стоячей волны, его влияние на потери в линиях приёма/передачи.
Так или иначе, любой индивид, интересующийся техникой радиосвязи, рано или поздно, сталкивается с лаконичным термином «КСВ». При этом, если даже ёжику 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».
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:
Величина, обратная КСВ, называется КБВ (коэффициент бегущей волны):
КБВ = 1/КСВ
Рассмотрим две крайние ситуации:
Входной/выходной импеданс приёмника/передатчика не слишком сложными схемотехническими ухищрениями выводится на уровень сопротивления кабеля, соединяющего радиостанцию с антенной.
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.
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.
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 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.
Что такое КСВ?
У специалистов, занимающихся радиосвязью часто возникает вопрос о том, что такое коэффициент стоячей волны (КСВ) и какой уровень КСВ должен быть в антенно-фидерном тракте. Многие знакомы с этим понятием с практической стороны, но иногда случается необходимость в более глубоком теоретическом понимании.
Термин «КСВ» очень часто произносится, как только речь заходит о радиосредствах, и от частого произношения иногда забывается физическая сущность и смысл этого определения. Все знают, что КСВ должен быть как можно меньше, но какой уровень КСВ сильно увеличивает потери, а какой не оказывает такого уж большого влияния не всегда ясно.
КСВ — это коэффициент стоячей волны по напряжению, измеренный на входе антенны или кабеля, подключенного к приемной или передающей антенны.
Из названия термина вытекает физический смысл процесса. Эквивалентная схема передатчика, работающего на антенну можно представить в виде генератора, линии связи и нагрузки (см. рис).
В идеальных случаях вся мощность передатчика излучается в эфир, однако на практике часть энергии отражается от нагрузки и в виде отраженной волны возвращается к генератору. Таким образом, в результате сложений падающей (волна идущая от генератора к нагрузке) и отраженной волны возникает стоячая волна со своими максимумом и минимумом напряжения.
При этом
Umax = Uпад + Uoтр,
а Umin = Uпад — Uoтр
Тогда 
Величина обратная КСВ называется КБВ (коэффициент бегущей волны): 
Если Umin= 0, то волна чисто «стоячая» (переноса энергии нет), а при Umin= Umax волна чисто «бегущая» (отражений нет). Случай, при котором отражений нет, а значит нет и потерь, является исключительным и в реальной практике не встречается.
КСВ = 1 можно получить только на резистивной нагрузке или при коротком замыкании. Иногда значения КСВ, близкие к указанным выше, можно получить на
очень длинном коаксиальном кабеле. Дело в том, что длиный кабель имет достаточно заметные тепловые потери и начинает работать как резистивная нагрузка.
Итак, необходимо стремиться к минимуму КСВ. Всегда встает вопрос о том, какой КСВ можно считать приемлемым для различных применений. Если Вы получили КСВ порядка 1,3-1,5, то Вам не стоит беспокоиться. Если КСВ находится в диапазоне 1,6-2, то обратите внимание на потери в ВЧ-разъемах. Для антенны такой уровень КСВ будет означать, что у нее есть проблемы с согласованием и ее надо попытаться настроить. КСВ 2,1-5 должен Вас насторожить. Это уже явная неисправность. КСВ 5 и выше означает обрыв центральной жилы в кабеле или в антенне.
Иногда при обрыве центральной ботать и даже принимать извещения, жилы в кабеле система может еще работать и даже принимать извещения. Такой случай может быть, если обломанные концы кабеля не разошлись в стороны друг от друга. В этом случае получается эквивалентная схема емкости, где обкладками являются торцы центральной жилы кабеля, а диэлектриком воздушная прослойка. За счет высокой частоты УКВ связи возможно прохождение сигнала через такую емкость, правда с ослаблением в 100 и более раз.
Что такое КСВ
Аббревиатурой КСВ (SWR, иногда встречается написание KSV) в радиотехнике обозначают коэффициент стоячей волны антенны, включенной в линию вместе с источником сигнала и фидером. Показатель зависит от согласования нагрузки с передачей и не зависит от внутреннего сопротивления генератора и его мощности (если нагрузка линейна).
Представить, что такое КСВ, помогут понятия стоячей и бегущей волн. Первая возникает в волноводе (например, антенном кабеле) при образовании статических максимумов и минимумов напряженности поля. Оно распределяется неравномерно, так как мощности сигнала при отражении и падении складываются. Часть энергии источника возвращается в линию как отраженная волна, и при сложении с падающей образует стоячую. Из-за интерференции амплитуда напряженности изменяется по направлению распространения сигнала. В режиме бегущей волны сигнал не искажается, без потерь попадает в эфир — что и требуется.
КСВ — что это с практической стороны? Параметр влияет на «КПД» взаимодействия линии передачи с нагрузкой, рабочий режим генератора и передаваемую мощность. Она должна «уйти» в антенну, а не возвращаться, хоть и частично, в кабель. Определяют коэффициент по мощности. При использовании в расчете не ее, а амплитуды напряжения, что на практике бывает чаще, говорят о показателе КСВН антенны — эти параметры сходны.
Базовая формула расчета коэффициента — отношение максимального значения амплитуды напряженности (Umax) к минимальному (Umin). Umax определяется сложением генерируемой и отражаемой амплитуды U, а Umin — вычитанием (Uген – Uотр). Упрощенно, КСВ антенны должен стремиться к единице (числитель и знаменатель равны). Обратная коэффициенту величина — КБВ, параметр бегущей волны.
Взаимосвязь КСВ, возвратных потерь и коэффициента отражения
Величина, связанная с КСВ — обратные потери из-за несогласованности антенны и фидера и неуравненности импендансов. Если все элементы в линии передачи идеально согласованы, КСВ равен единице. Вся энергия при этом «уходит» в нагрузку без отражений и потерь. На практике идеал малодостижим, но нужно стремиться к выравниванию входных и выходных импендансов, согласовывая работу аппаратуры в линии. Возвратные потери, возникающие при коэффициенте больше единицы, приводят к «утечке» энергии в кабель, он нагревается и возникает опасность его теплового повреждения, пробоя линии передачи, выхода из строя транзисторов и так далее. Если КСВ равен пяти, потеряется до 45% поступающей мощности и работать будет сложно, двум — уже 11%, это максимальная приемлемая величина.
Коэффициент отражения также связан с SWR — что это такое? Параметр отображает ту же информацию, что и КСВ, характеризуя отношение амплитуд напряженности отраженной и падающей волн. С КСВ он связан по напряжению и току, при КСВ=1 он равен нулю. Коэффициент отражения используют для пересчета в параметр стоячей волны с помощью специального оборудования.
Особенности и расчет КСВ
Как измерить КСВ и выявить потери мощности? Для определения коэффициента существуют специальные приборы — КСВ-метры, определяющие мощность и сам коэффициент в разных частотных диапазонах. Что такое КСВ-метр? Прибор представляет собой устройство с рефлектометром, индикатором напряженности электромагнитного поля, разным импендансом и погрешностью. С его помощью настраивают и проверяют антенно-фидерное оборудование, измеряют мощность стоячей волны, коэффициент отражения и прочие параметры.
Купить высокоточные КСВ-метры можно в интернет-магазине Midland-rus. На сайте продаются приборы Optim и других брендов, позволяющие измерить коэффициент в разных диапазонах, настроить автомобильную или иную антенну, выявить их неисправности. На оборудование предоставляется гарантия, покупки доставляются во все регионы РФ.
Коэффициент стоячей волны
Коэффициент стоячей волны по напряжению вычисляется по формуле: 
,
где U1 и U2 — амплитуды падающей и отражённой волн соответственно.
Можно установить связь между KCBH и коэффициентом отражения Г: 
Также величину коэффициента стоячей волны можно получить из выражений для S-параметров (см. ниже).
В идеальном случае КСВН = 1, это означает, что отраженная волна отсутствует. При появлении отраженной волны КСВ возрастает в прямой зависимости от степени рассогласования тракта и нагрузки. Допустимые значения КСВН на рабочей частоте или в полосе частот для различных устройств регламентируются в технических условиях и ГОСТах. Обычно приемлемые значения коэффициента лежат в пределах от 1,1 до 2,0.
Значение КСВ зависит от многих факторов, например:
Измеряют КСВН, например, с помощью включённых в тракт в противоположном направлении двух направленных ответвителей. В космической технике КСВН измеряется встроенными в волноводные тракты датчиками КСВ. Современные анализаторы цепей также имеют встроенные датчики КСВН.
При проведении измерений КСВН необходимо учитывать, что затухание сигнала в кабеле приводит к погрешности измерений. Это объясняется тем, что как падающая, так и отраженная волны испытывают затухание. В таких случая КСВН рассчитывается следующим образом: 
,
где К — коэффициент ослабления отраженной волны, который вычисляется следующим образом: 
,
здесь В — удельное затухание, дБ/м;
L — длина кабеля, м;
а множитель 2 учитывает тот факт, что сигнал испытывает ослабление при передаче от источника СВЧ сигнала к антенне и на обратном пути. Так, при использовании кабеля PK50-7-15 удельное затухание на частотах Си-Би (около 27 МГц) составляет 0,04 дБ/м, то при длине кабеля 40 м отраженный сигнал будет испытывать затухание 0,04•2•40=3,2 дБ. Это приведет к тому, что при реальном значении КСВН, равном 2,00, прибор покажет только 1,38; при реальном значении 3,00 прибор покажет около 2,08.
Плохая (высокая) величина КСВ(Н) нагрузки приводит не только к ухудшению КПД из-за уменьшения поступившей в нагрузку полезной мощности. Возможны и другие последствия:
Для устранения этого могут применяться защитные вентили или циркуляторы. Но при продолжительной работе на плохую нагрузку, они могут выйти из строя. Для маломощных линий передачи могут использоваться согласующие аттенюаторы.
Связь КСВН с S-параметрами четырёхполюсника
Коэффициент стоячей волны можно однозначно связать с параметрами передачи четырёхполюсника (S-параметрами): 
где 
— комплексный коэффициент отражения сигнала от входа измеряемого тракта;
Инструменты пользователя
Инструменты сайта
Содержание
Коэффициент стоячей волны
КСВ определяется качеством согласования нагрузки (например, антенны) с линией передачи (фидером). КСВ в линии передачи не зависит от внутреннего сопротивления источника электромагнитной волны (генератора) и (в случае линейной нагрузки) от мощности генератора. Значение КСВ в однородной линии передачи без потерь постоянно по всей длине линии передачи и не зависит от её длины. КСВ влияет на:
Связь с коэффициентом отражения
КСВ связан с модулем коэффициента отражения |Г| в данном сечении линии передачи, эти две величины несут одинаковую информацию. Поскольку неравномерность распределения амплитуды волны вдоль линии обусловлена интерференцией («сложением и вычитанием») падающей и отраженной волн, то наибольшее значение амплитуды A волны вдоль линии (то есть значение амплитуды в пучности) составляет
а наименьшее значение амплитуды (то есть значение амплитуды в узле) составляет
где Ainc — амплитуда падающей волны (например, волны напряжения, тогда A = U, В, или волны тока, тогда A = I); Aref — амплитуда отражённой волны. Следовательно,
В линии передачи без потерь с волновым сопротивлением W, нагруженной на чисто активную нагрузку с сопротивлением Rнагр:
На практике КСВ широко применяется как характеристика качества согласования и для цепей с сосредоточенными параметрами, в которых в явном виде нет длинных линий. При этом указание значения КСВ тождественно указанию значения |Г|.
Например, фраза «значение КСВ по входу усилителя равно 2.0» означает, что значение модуля коэффициента отражения |Г| по напряжению от входа усилителя при его подключении к генератору с чисто активным номинальным внутренним сопротивлением составляет |Г|≈0.33. Или: фраза «значение КСВ антенны составляет 2.0» означает, что значение модуля коэффициента отражения |Г| от входа антенны при её возбуждении генератором с внутренним сопротивлением, равным номинальному сопротивлению антенны, составляет |Г|≈0.33. Это же означает, что при возбуждении антенны через линию передачи с волновым сопротивлением, равным номинальному сопротивлению антенны, КСВ в линии передачи вблизи антенны составит 2.0.
КБВ, КСВН и другие коэффициенты
Величина КСВ обратна коэффициенту бегущей волны (КБВ), который в прошлом широко использовался на практике наряду с КСВ.
В линии передачи с Т-волной (например, в линии коаксиального типа) КСВ можно определить по напряжению (как отношение наибольшего вдоль линии значения амплитуды напряжения к наименьшему, на практике используется термин КСВ по напряжению (КСВН)). Аналогично в линии с Т-волной можно определить КСВ по току (как отношение амплитуд токов). Значения определенных таким образом КСВН и КСВ по току равны КСВ. Для линий передачи с другими типами волн, например, для диэлектрического или металлического волноводов, КСВН и КСВ по току ввести и использовать затруднительно либо невозможно.
При измерении амплитуды напряженности поля или напряжения, необходимом для измерения КСВ, используются детекторные секции с диодами, имеющими в режиме слабого сигнала близкую к квадратичной вольт-амперную характеристику. Результат детектирования приблизительно пропорционален квадрату измеряемой амплитуды напряженности поля или напряжения, то есть пропорционален мощности, ответвляющейся из линии передачи в детекторную секцию. В прошлом для упрощения обработки результатов измерений (чтобы не извлекать квадратный корень) вместо КСВ использовали отношение полученных таким образом оценок квадратов амплитуд (напряженности поля в линии, напряжения между проводниками линии), которое приближенно равно квадрату КСВ. Такое отношение не вполне корректно называли «КСВ по мощности». Чтобы отделить «правильный» КСВ (отношение амплитуд напряженности поля) от такого «КСВМ», до сих пор вместо КСВ широко используют термин КСВ по напряжению (КСВН) и обозначение КстU.
В зарубежной литературе используются следующие аббревиатуры:
Использование КБВ, КСВН, КСВ по току, КСВ по мощности ГОСТом 2) не предусмотрено.
Приемлемое значение КСВ
Желательно, чтобы значение КСВ в линии передачи было близко к единице, при этом максимален КПД системы «линия передачи — нагрузка», равный 3) отношению мощности, выделяемой в нагрузке, к мощности падающей волны, отдаваемой генератором в линию передачи. Допустимые значения КСВ на рабочей частоте или в полосе рабочих частот для различных устройств регламентируются в технических условиях и ГОСТах. Обычно приемлемые значения КСВ лежат в пределах от 1.1 до 2.0. В волноводном тракте значения КСВ, как достижимые, так и практически имеющиеся, существенно ниже (лучше), чем в коаксиальном, и более предсказуемы.
Значение КСВ зависит от многих факторов, в частности:
Возрастание (то есть ухудшение) КСВ приводит к ухудшению КПД системы по следующим основным причинам:
Однако эквивалентная схема выходной цепи активного прибора, работающего в нелинейном режиме (в частности с отсечкой тока) не является «соединением идеального источника тока J и неизменной комплексной проводимости G, c которой требуется согласовать нагрузку», поскольку значения J, G и колебательной мощности сложным образом меняются при изменении сопротивления нагрузки. Поэтому если в линии передачи, подключенной к «настроенному» (то есть отдающему в линию передачи максимальную мощность) генератору, изменяется (ухудшается или даже улучшается) КСВ, то генератор будет отдавать в линию передачи меньшую мощность. В связи с этим действует дополнительный фактор:
Возможны и другие последствия:
Для снижения КСВ и максимизации КПД нагрузка должна быть по возможности согласована с линией передачи (в данном случае условие согласования означает, что сопротивление нагрузки является чисто активным и равным волновому сопротивлению линии передачи). Если качество согласования неудовлетворительное, то применяют согласующие устройства, включаемые между линией передачи и нагрузкой или в линии передачи как можно ближе к нагрузке. Если КПД не является определяющим фактором, то могут использоваться согласующие аттенюаторы.
Измерение КСВ
Прибор для измерения КСВ — КСВ-метр.
Прямой метод измерения КСВ основан на использовании измерительной линии, с помощью которой измеряются амплитуды напряженности поля в пучности и узле. Этот метод исторически наиболее ранний.
Чаще КСВ измеряют косвенно с помощью рефлектометра с последующим пересчетом |Г| в КСВ. В более сложных (многофункциональных, как правиило — автоматических) измерительных приборах на основе рефлектометров измерение КСВ является одной из функций (наряду с измерением импеданса, комплексного коэффициента отражения, S-параметров, мощности). Шкала рефлектометра, предназначенного для измерения КСВ, может быть заранее проградуирована в единицах КСВ. Конструкции рефлектометров, используемых для измерения КСВ, разнообразны. Измерители (датчики) КСВ проходного типа встраиваются в линию передачи или размещаются на выходе радиопередатчика, они могут использоваться в упрощенном виде как часть схемы защиты радиопередатчика от рассогласования нагрузки.
При измерении КСВ следует учитывать следующее.
Например, в отечественных панорамных измерителях КСВн и ослабления, таких как Х1-43, применялась амплитудная модуляция испытательного сигнала на частоте 100 кГц (отключаемая), а напряжение с детекторов проходило через узкополосный полосовой фильтр (отключаемый), что делало приёмные цепи селективными.
Например, проведение измерений КСВ в тракте с волновым сопротивлением 75 Ом с использованием КСВ-метра для тракта 50 Ом даст неверный результат.