VSWR、リターンロス、反射電力の理解：実践例を含む実践ガイド

すべての RF 設計で VSWR が依然として重要である理由

電圧定在波比 (VSWR) は、RF エンジニアリングにおいて最初に遭遇するパラメータの 1 つですが、心配する必要がなくなるパラメータの 1 つです。セルラー基地局アンテナのチューニング、コネクタインタフェースの検証、アマチュア無線給電線のデバッグのいずれを行う場合でも、VSWRは伝送線路がその負荷にどの程度適合しているかを示します。完全に一致すれば、すべての電力が負荷に届きます。それ以下の値では、一部が跳ね返り、電力が無駄になり、アンプに負荷がかかり、システムパフォーマンスが低下します。

問題は、VSWRは相互に関連するいくつかの量のうちの1つにすぎないことです。リターンロス、反射係数、ミスマッチ損失、反射/送信電力のパーセンテージはすべて、同じ物理現象をさまざまな角度から表現しています。これらを手作業で変換するのは簡単ですが、特にベンチセッションの途中では面倒です。だからこそ、私たちは [VSWRとリターンロス計算ツールを開く] (https://rftools.io/calculators/rf/vswr-return-loss/) を作成しました。VSWR値を入力すると、関連するすべてのメトリックが即座に得られます。

コア・リレーションシップ

すべてを結びつける数学から始めましょう。リフレクション係数「MATHINLINE_10」は、VSWR から直接導き出されます。

「MATHBLOCK_0」

リターン・ロス (RL) は同じ情報をデシベル単位で表します。

「MATHBLOCK_1」

符号の規則に注意してください。リターンロスは、反射電力が入射電力をどれだけ下回るかを表す正の数 (dB 単位) です。リターンロスが大きいほどマッチングが良くなります。

ミスマッチ損失は、インピーダンスのミスマッチによって失われる送信電力の量を数値化したものです。

「MATHBLOCK_2」

最後に、反射電力と送信電力をパーセンテージで表します。

「MATHBLOCK_3」 「マスブロック_4」

これら 5 つの出力は、任意の VSWR 入力に対して計算機が返すものです。

実際の例:1. 5:1 の VSWR アンテナマッチングの評価

屋上に 900 MHz のアンテナを設置したばかりで、サイトスイープアナライザが対象帯域全体で 1.5:1 の VSWR を読み取ったとします。それで十分でしょうか？

まず、反射係数:

「MATHBLOCK_5」

リターン・ロス:

「マスブロック_6」

反射パワー:

「マスブロック_7」

送信電力:

「マスブロック_8」

ミスマッチロス:

「マスブロック_9」

つまり、1. 5:1 のVSWRでは、約 0.18 dB の損失になります。つまり、消費電力の約 4% が反射されます。ほとんどの商用システムでは、これは相性が良いと考えられます。多くのアンテナ仕様では、動作帯域幅全体で最大 1.5:1 まで可能です。システムリンクバジェットがきわめて厳しい場合や、PA が負荷ミスマッチの影響を受けやすい場合のみ心配になります。

実用的な VSWR ベンチマーク

ここでは、さまざまな VSWR 値が実際にどのように変換されるかを簡単に説明します。

この表からいくつかの項目が浮かび上がってきます。1. 5:1 から 2. 0:1 へのジャンプは、反射パワーをほぼ 3 倍にします (4% → 11%)。また、3. 0:1 では、送信電力の 4 分の 1 がアンテナに届きません。これは、ケーブル損失を考慮する前に PA 出力が 1.25 dB 低下するのと同じです。最近のトランスミッタのほとんどは、最終段階を保護するためにVSWRが 2:1 から 3:1 を超えると、出力電力を削減するか、完全にシャットダウンします。

リターンロスの方が良い指標の場合

データシートや現場ではVSWRが共通語ですが、システムレベルの分析ではリターンロスの方が役立つ場合が多いです。理由は簡単です。デシベルが加算されるからです。コネクタ・インターフェースでの反射損失が 20 dB で、ケーブルの各方向で 3 dB の損失があることがわかっている場合、トランスミッタで見られる実効リターンロスはおよそ「MATHINLINE_12」dB になります (反射信号は出て行き、戻ってきては減衰します)。dB 単位にすると、前後に変換しなくてもこれらの効果をすばやくカスケードできます。

リターンロスは、「MATHINLINE_13」を測定するときのベクトル・ネットワーク・アナライザ (VNA) の自然な出力でもあります。実際、dB 単位の「MATHINLINE_14」はリターンロスの負の値です。VNA が「MATHINLINE_15」dB と表示されている場合、リターンロスは18 dB で、VSWR は約 1.29:1 に相当します。

よくある落とし穴

紛らわしいリターンロスの符号の慣習 リターンロスを負の数 (dB 単位の「MATHINLINE_16」と等しい) と定義している文献もあります。IEEE 標準では正と定義されています。私たちの計算機は正の慣習を採用しています。数値が大きいほど一致率が高くなります。 VSWRを解釈する際はケーブル損失を無視します アナライザとアンテナの間のケーブルに損失があると、VSWRはアンテナポートで実際よりも見栄えがよくなります。必ずアンテナのリファレンスプレーンでディエンベッドまたはキャリブレーションを行ってください。 VSWRが周波数全体で一定であると仮定します 単一周波数のVSWRの読み取り値は誤解を招く可能性があります。常に動作帯域幅全体をスイープして、ワーストケースのポイントを見つけてください。

試してみてください

次回、現場やベンチにいて、簡単な健全性チェックが必要になったら、[VSWR & リターンロス計算ツール] (https://rftools.io/calculators/rf/vswr-return-loss/) を開いて、測定したVSWRを差し込んでください。リターンロス、反射係数、ミスマッチロス、パワーパーセンテージが一度に得られます。暗算は不要です。ブックマークしておきましょう。予想以上に頻繁に利用するツールの1つです。