Чтобы передатчик передавал максимально возможную мощность антенны, важно согласовать выходное сопротивление передатчика, волновое сопротивление линии передачи и импеданс антенны. КСВ это числовой параметр, позволяющий оценить качество такого согласования.

КСВ соответствует английская аббревиатура SWR, или VSWR (Voltage Standing Wave Ratio). КСВ является функцией коэффициента отражения. Если обозначить коэффициент отражения буквой Γ (гамма), то КСВ можно определить по формуле:

       1+|Γ|
КСВ = --------
       1-|Γ|

Коэффициент отражения также известен как параметр s11 [2], или потери на отражение. Ниже в таблице показана взаимосвязь между отраженной мощностью, s11 и КСВ. Если вы не хотите погружаться в понимание формул взаимосвязи между КСВ, потерями на рассогласование, s11/Γ, и просто хотели бы получить для этого удобный калькулятор, то перейдите по ссылке [3].

Для антенн КСВ всегда представлен положительным реальным числом со значением больше 1.0. Чем КСВ ближе к единице, тем лучше антенна согласована с кабелем и выходом передатчика, и тем больше полезной мощности излучается в эфир. Идеальное значение КСВ = 1.0, в этом случае нет никакого отражения мощности от антенны.

Часто антенны должны удовлетворять требованиям по частотной полосе пропускания в контексте КСВ. Например, антенна может быть рассчитана на работу в диапазоне 100 .. 200 МГц с КСВ < 3. Этот КСВ означает, что коэффициент отражения от антенны в таком обозначенном диапазоне частот будет меньше 0.5.

[Физический смысл КСВ]

КСВ определяется по напряжению, измеренному вдоль линии передачи, идущей к антенне. Из-за сложения прямой и отраженной волны в линии передачи на ней получаются участки стоячей волны с максимальной и минимальной амплитудой. КСВ это отношение пикового значения максимальной амплитуды стоячей волны к значению минимальной амплитуды стоячей волны, как показано на следующем рисунке:

Рис. 1. Напряжения, измеренные вдоль линии передачи.

Когда антенна не согласована с передатчиком, мощность от неё отражается (что показывает коэффициент отражения, который не равен 0). Отраженная волна создает в линии передачи "стоячие волны". В результате на линии передачи образуются пики и провалы напряжения, как показано на рис. 1. Если КСВ = 1.0, то отражения мощности нет, и напряжение сигнала постоянное на всей длине линии передачи.

[КСВ, отраженная мощность, и s11]

КСВ 3 это хороший коэффициент? Насколько плох КСВ 12? На этот счет жестких правил не существует. В этом разделе сделана попытка перевести значение КСВ в реальный контекст: таблица ниже показывает взаимосвязь между КСВ, общей отраженной мощностью, и коэффициентом отражения Γ (который также известен как параметр s11). Обратите внимание, что отраженная мощность это просто коэффициент отражения в квадрате.

Таблица 1. КСВ, отраженная от антенны мощность и Γ (s11).

По этой таблице видно, что КСВ = 4 соответствует 36% отраженной мощности от мощности, переданной в антенну (64% мощности является полезной, которая успешно излучена в эфир или рассеивается на активном сопротивлении антенны). Отраженная мощность 0 dB означает, что вся мощность отражается обратно (100%), в то время как -10 dB означает, что отражается 10% мощности. Если вся мощность отражается, то КСВ равен бесконечности.

Обратите внимание, что КСВ очень нелинейно зависит от коэффициента отражения. Т. е. существует очень малое различие в отраженной мощности, когда КСВ меняется от 9 до 10. Однако отраженная мощность меняется на 11%, когда КСВ меняется от 1 к 2.

В общем случае если КСВ < 2 то это означает очень хорошее согласование с антенной, дальнейшее улучшение согласования даст незначительный выигрыш. По мере увеличения КСВ мы сталкиваемся с двумя негативными последствиями. Во-первых очевидно, что больше мощности не попадает в эфир из-за отражения. Но есть и другая проблема - большая отраженная мощность может повредить выходной каскад передатчика. Дополнительно цифровые системы связи сталкиваются проблемами корректной передачи бит информации, когда антенна плохо согласована. Xисловым значением это определяет другая метрика, вектор амплитуды ошибок (Error Vector Magnitude, EVM [4]).

[КСВ-параметры антенн]

В индустрии антенны часто классифицируются (по критерию плохая/хорошая) на основе параметра их КСВ. Это способ пассивного измерения параметров антенны, чтобы быстро определить, насколько хорошо она настроена на целевой диапазон частот. Антенна проверяется векторным анализатором цепей (VNA, см. [5]), и КСВ регистрируется как функция, зависящая от частоты. В качестве примера рассмотрим ситуацию, когда для 5 разных антенн измерены и построены графики КСВ, см. рис. 2. На нем прямыми голубыми линиями обозначены желаемые предельные параметры КСВ для антенны, которые нельзя превышать:

Рис. 2. Зависимость КСВ антенны от частоты.

Имейте в виду, что метрика КСВ не показывает, сколько мощности передается в антенну. Т. е. КСВ не означает, что антенна излучает определенную часть подведенной мощностиThis does not mean that the antenna radiates all the power it receives. Вместо этого КСВ показывает потенциал антенны в контексте излучения. Низкое значение КСВ означает, что антенна хорошо согласована, однако это не обязательно означает, что переданная мощность также попала в эфир. Для определения реальной мощности излучения требуется безэховая камера или другое специальное измерительное оборудование. Одного лишь КСВ недостаточно для определения, что антенна функционирует должным образом.

КСВ также может быть измерен с помощью диаграммы Смита [6]. КСВ это только скалярная метрика, в то время как диаграмма Смита показывает реактивную (емкостную или индуктивную) составляющую полного сопротивления антенны.

[Ссылки]

1. VSWR Voltage Standing Wave Ratio site:antenna-theory.com.
2. S-параметры: что это?
3. VSWR Calculator site:antenna-theory.com.
4. EVM Error Vector Magnitude site:antenna-theory.com.
5. NanoVNA-F V2, векторный анализатор радиоцепей.
6. The Smith Chart site:antenna-theory.com.