VSWR – 전압 정재파비는 소스(증폭기)와 부하(테스트 애플리케이션) 사이의 임피던스 불일치로 인해 발생하는 결과입니다. 이 불일치는 소스의 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. VSWR은 이해하기 어려운 개념은 아니지만 계측에 미치는 영향은 실현하기 어려울 수 있습니다. 이 기사에서 Exodus Advanced Communications는 RF/마이크로파 고전력 증폭기와 이 일반적인 물리적 문제에 대한 반응에 초점을 맞추었습니다. 증폭기는 때때로 손상으로부터 자신을 보호하기 위해 보호 장치를 설치해야 합니다. 먼저 VSWR을 이해해 보겠습니다.
대부분의 RF 및 마이크로파 시스템은 일반적으로 50Ω인 지정 임피던스를 기반으로 합니다. RF 테스트 시스템의 계측 및 구성 요소는 가능한 한 이 임피던스를 유지하도록 설계됩니다. 이를 통해 예측 가능한 알려진 전력 전송이 가능합니다. 이상적으로는 모든 것이 정확히 50Ω가 되어야 하지만 우리 모두가 알다시피 현실 세계에서는 차이가 있습니다. 계측이 수십 년 동안 광범위한 주파수 범위를 포괄하는 경우 이상적인 50Ω 임피던스를 유지하는 것이 훨씬 더 어려워집니다. 어느 정도의 VSWR은 불가피합니다.
VSWR은 다음과 같이 계산됩니다.
임피던스 차이의 간단한 비율입니다. 임피던스(ZL)가 클수록 임피던스(ZO)는 작아집니다. 50Ω/50Ω = 1이 이상적인 결과입니다. 단독으로 작성하여 단위 없이 사용할 수도 있고, 어떤 경우에는 비율로 사용할 수도 있습니다(예: 2:1, 4:1 또는 10:1). 임피던스 불일치가 클수록 VSWR이 커집니다. VSWR이 크거나 VSWR이 작을 때의 결과는 무엇일까요? 다음 방정식은 순방향 및 역방향(또는 반사) 전력을 알고 VSWR을 찾는 다른 방법을 보여줍니다.
이 방정식은 전력을 도입하여 이제 전력이 증폭기로 반사되는 원인이 불일치라는 것을 조금 더 이해할 수 있게 해줍니다. 반사 전력은 부하에서 전송되거나 수신되지 않은 손실 전력입니다. 불일치가 있으면 전달되는 전력과 시스템의 효율성이 감소합니다. 손실 전력을 최소화하려고 해야 합니다.
반사된 손실 전력은 어디로 가는가? 뉴턴의 에너지 보존 법칙을 통해 어딘가로 가야 한다는 것을 알고 있습니다. 결국 증폭기로 돌아갑니다. 따라서 증폭기는 이 반사 전력이 다시 들어오는 것을 처리해야 합니다. 이 반사 에너지는 출력 + 반사된 에너지로 정상파를 생성합니다. 무한 VSWR의 최악의 경우를 살펴보면 증폭기 출력 또는 부하에서 개방 또는 단락이 발생합니다. 무한 VSWR은 100% 반사를 발생시켜 전압을 두 배로 높여 모든 내부 구성 요소에 스트레스를 줄 수 있습니다. 스트레스는 열 발산 또는 더 높은 전압으로 나타날 수 있으며, 이 더 높은 전압은 전압 파괴 한계를 밀어냅니다.
증폭기는 얼마나 많은 반사 전력을 처리할 수 있어야 합니까? 불일치의 크기에 따라 달라집니다. 이를 위해 대부분의 테스트 애플리케이션에서 일반적인 것이 무엇인지 이해해야 합니다. 대부분의 애플리케이션에서 증폭기, 부하 및 설정은 안정적이며 가장 낮은 VSWR로 설계되며 일반적으로 2:1 미만으로 유지됩니다. 전력의 10%가 반사될 수 있습니다. 10%+의도된 전력의 100% = 소산되어야 할 총 전력의 110%.
이러한 시스템의 예로는 일반적으로 안테나 또는 전송 회선을 설계하는 것이 광대역 애플리케이션에 비해 약간 쉬운 협대역 송신기가 있습니다. 그러나 2:1 이상이 나타나는 애플리케이션도 있습니다. 높은 VSWR은 종종 매우 광대역, 고전력 및 잘 일치하지 않는 부하로 테스트하기 때문에 발생합니다. 가능한 한 이러한 상황을 피하는 것이 가장 좋지만 때로는 테스트를 해야 하기 때문에 이러한 조건이 불가피합니다. 아래는 VSWR 대 반사 전력을 보여주는 차트입니다.
위의 차트는 VSWR이 증가함에 따라 손실 전력량도 증가함을 보여줍니다. 6:1 VSWR에서 전력의 50%가 낭비 에너지로 손실되고 테스트 애플리케이션의 비용을 증가시키는 것을 과도하게 보상하기 위해 더 큰 증폭기가 필요할 수 있습니다.
부하가 높은 VSWR을 가질 수 있는 응용 프로그램의 예: 저주파(<100MHz) 광대역, 방사 면역 및 전도 면역에 대한 EMC 테스트, 부하를 알 수 없는 실험 또는 부하가 고장나거나 손상된 경우. 임피던스를 더 잘 일치시키기 위해 주의해야 하며, 모든 계측기는 VSWR을 처리할 수 있습니다. VSWR은 주파수 범위에 따라 다르다는 점을 명심하세요. VSWR 수준이 높으면 설정이 좋지 않다는 신호입니다. 임피던스 일치를 개선하기 위한 조치를 취해야 합니다.
VSWR 개선
VSWR 정격이 낮은 양질의 구성 요소, 상호 연결, 동축 케이블 및 부하/트랜스듀서로 시작하는 것이 좋습니다. VSWR이 높은 부하/트랜스듀서를 사용해야 하고 증폭기에서 보이는 VSWR을 개선해야 하는 경우 어떻게 해야 합니까? VSWR을 개선하는 가장 일반적인 방법은 때때로 PAD라고도 하는 감쇠기를 사용하는 것입니다. 부하/트랜스듀서의 입력에 3dB PAD를 추가하면 매칭이 개선됩니다. 이 방법은 (BCI) Bulk Current Injection 프로브 및 (Bi-Con) Biconical 안테나로 테스트할 때 많이 사용됩니다.
이것의 부정적인 측면은 3dB 또는 ½의 전력이 전달된다는 것입니다. 500와트는 이제 250와트가 됩니다. 대안은 설계의 복합적인 변화를 변환하는 매칭 네트워크를 갖는 것입니다. 이들은 설계된 부하에만 매칭되고 임피던스가 제한될 수 있습니다. 따라서 감쇠기보다 전력 손실이 적습니다. 매칭 네트워크는 주파수 범위에서 더 c입니다. 이러한 이유로 매칭 네트워크는 쉽게 구할 수 없습니다.
증폭기는 VSWR을 어떻게 처리하나요?
일부 기술은 더 높은 수준의 VSWR을 처리하기 위해 증폭기 설계에 구현될 수 있습니다. 대부분의 증폭기는 매우 일반적인 불일치인 2:1 VSWR을 처리할 수 있습니다. 많은 증폭기 사양은 최악의 경우 출력 정격이 2:1이므로 50Ω 부하에 연결되지 않도록 보호할 수 있어야 합니다. 솔리드 스테이트 증폭기는 일반적으로 이보다 훨씬 더 견고하여 단락 및 개방에 손상 없이 작동하면서도 전체 전방 전력을 유지할 수 있습니다.
부하에 최대 전력을 공급하면 일반적으로 높은 VSWR은 손상 또는 테스트 설정 오류의 신호이므로 안전하지 않은 테스트 설정을 제안할 수 있습니다. 전력 수준이 100와트에서 1kW로 증가함에 따라 무한 VSWR 또는 100% 반사 전력을 처리할 증폭기를 구축하는 것이 점점 더 어려워집니다. 클래스 A 증폭기는 본질적으로 클래스 AB 증폭기보다 VSWR을 더 잘 처리할 수 있다고 생각되는 경우가 있습니다. 이는 반드시 그런 것은 아닙니다. 견고성은 증폭기가 바이어스되는 클래스를 넘어서며 회로 설계와 더 관련이 있습니다. 그러나 설계가 높은 VSWR을 처리할 수 없는 경우 다른 보호 기능을 구현할 수 있습니다.
증폭기 보호
능동적 보호 - 다양한 형태로 제공됩니다. 많은 앰프에는 과열 및 전류와 같은 기본 회로 보호 기능이 있습니다. 이러한 보호 기능은 앰프를 높은 VSWR로부터 보호하는 데 도움이 되지만 이를 사용하는 주된 이유는 아닙니다. VSWR로부터 보호하기 위해 일반적으로 출력 전력과 반사 전력을 모니터링하고 보호 루프를 연결합니다. 두 가지 다른 방법이 제정됩니다.
- 종료 - 높은 역전력(또는 VSWR)이 측정되면 앰프는 오류를 나타내는 오류와 함께 종료됩니다. 제조업체는 이를 앰프의 안전한 반사 전력 수준으로 설정합니다. 오류 조건이 해결되면 앰프를 다시 사용할 수 있습니다.
- 폴드백 - 높은 역방향 전력이 모니터링되면 앰프는 내부 이득을 줄여 출력을 낮춥니다. 이는 역방향 전력이 임계값을 초과하지 않도록 제한하여 앰프를 활성화하지만 고장으로부터 보호합니다.
비활성 보호 - 높은 VSWR이 발생할 가능성이 거의 없거나 전혀 없기 때문에 증폭기 비용을 낮추기 위해 구현될 수 있습니다. 또는 증폭기가 높은 VSWR을 처리할 만큼 견고하여 활성 보호가 필요하지 않은 경우입니다. 이에 대한 예로는 순환기 보호가 있습니다. 순환기는 반사 전력이 소스로 돌아가는 것을 방지하며 일부 주파수 범위와 전력 레벨에서 사용할 수 있습니다. 일반적으로 100MHz 미만의 광대역 애플리케이션에는 사용할 수 없습니다.
결론
RF 설정에서 VSWR 수준에 대한 지식은 성능을 예측하는 데 필수적입니다. 높은 VSWR은 응용 분야에 따라 상대적인 용어입니다. 대부분의 증폭기 응용 분야에서 2:1이 정상입니다. 6:1 이상 또는 4:1 이상은 높은 것으로 간주해야 합니다. 높은 VSWR은 모든 증폭기에 스트레스를 주며 전력이 500와트 이상으로 증가함에 따라 매우 우려됩니다. 증폭기 사양에 "손상 없이 모든 VSWR 수준을 견딜 수 있음"이라고 명시되어 있다고 해서 계측기에 스트레스를 주지 않는다는 의미는 아닙니다. 이 높은 VSWR 조건에서 장시간 노출되면 손상이 발생할 수 있습니다. 증폭기를 올바르게 사용하고 잘 일치하는 테스트 설정을 유지하는 데 주의해야 합니다. 이렇게 하면 계측기의 수명과 장비 투자가 연장됩니다.