VSWR、リターンロス、反射電力ガイド

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、おそらく RF エンジニアリングで最初に学んだことのひとつでしょう。正直なところ、VSWR (電圧定在波比) への関心は尽きません。セルラー基地局アンテナのチューニングは？コネクタインターフェースをチェックしていますか?アマチュア無線のセットアップが機能しない理由をデバッグしていますか？VSWRは、伝送線路と負荷がうまく連携しているかどうかを示す数値です。すべてが完全に一致すると、すべての電力が負荷に送られます。そうでない場合、一部は跳ね返ります。電力を浪費し、アンプにストレスを与え、一般的にシステムのパフォーマンスを本来よりも低下させます。

ここで厄介な点があります。VSWRは、何が起こっているのかを説明する1つの方法にすぎません。また、リターンロス、反射係数、ミスマッチ損失、反射電力と送信電力のパーセンテージもあります。これらはすべて、まったく同じ物理的現実を、異なる視点から表現しています。両者の間の変換は手作業で行いますか？確かに、簡単です。しかし、それは地獄のように退屈です。特にベンチセッションの最中で、ただ答えが欲しいだけの場合はなおさらです。だからこそ、私たちは VSWR & リターンロス計算ツールを作成しました。VSWR を入力するだけで、関連するすべてのメトリックが即座に得られます。データシートの裏に落書きをする必要はもうありません。

コア・リレーションシップ

では、これらすべての量を結び付ける数学を見ていきましょう。反射係数 $\Gamma$ はVSWRから直接得られます。

十分にシンプルです。リターンロス (RL) は、デシベルで表される情報とまったく同じです。

ここで符号規則を見てみましょう。リターンロスはdB単位の正の数値として定義され、反射電力が入射電力と比較してどれだけ低いかを表します。リターン・ロスが大きいほどマッチングが良くなります。一部の参考文献ではこの符号が反転しているため、混乱が尽きません。

ミスマッチ損失は、インピーダンスのミスマッチが原因でどれだけの送信電力が失われているかを示します。

そして最後に、反射電力と送信電力の割合：

これら 5 つの出力はまさに、任意の VSWR に計算ツールが出力する出力です。1 つの入力、5 つの有用な数値。

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 アンテナを設置したとしましょう。サイトスイープアナライザーを実行すると、対象となる帯域全体で 1.5:1 の VSWR が読み取られます。十分ですか？調べてみよう。

反射係数から始めましょう。

今のリターンロス:

反射電力:

つまり、送信電力は次のようになります。

そしてミスマッチロス:

つまり、1.5:1 のVSWRでは、ミスマッチ損失で約0.18 dB減少します。つまり、電力の約 4% がバウンスバックしていることになります。ほとんどの商用システムでは、これは実際には相性が良いと見なされています。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。心配になるのは、リンクバジェットが非常に薄い場合や、パワーアンプが負荷ミスマッチの影響を特に受けやすい場合だけです。最近のほとんどのPAは、汗をかくことなくこの問題を解決できます。

実用的な VSWR ベンチマーク

これは、簡単に参照できるように手元に置いておく表です。この表は、さまざまな VSWR 値が、実際に関心のある指標にどのように変換されるかを示しています。

ここで本当に際立っていることがいくつかあります。1.5:1 から 2.0:1 へのジャンプを見てください。反射電力は 4% から 11% にほぼ3倍になっています。これは大変なことです。そして 3.0:1 で？送信電力の4分の1がアンテナに届くことすらありません。これは、ケーブル損失について考える前に PA 出力を 1.25 dB 低下させるようなものです。最近のほとんどの送信機は、VSWRが 2:1 から 3:1 の間になると、出力電力をバックオフするか、完全にシャットダウンします。これは、出力トランジスタの過熱や損傷の原因となる過剰な反射電力から最終段を保護するためです。

1.1:1 のラインも興味深いものです。ラボの高精度部品や、よく調整されたフィルターには、このようなマッチングが見られます。現場では？あんたがそれにぶつかることはほとんどないよ。もしそうなら、キャリブレーションをダブルチェックしてください。あまりにも良すぎて真実ではないかもしれません。

リターンロスの方が良い指標の場合

VSWRは、データシート、現場での測定値、カジュアルな会話など、どこにでもあります。しかし、正直なところ、システムレベルの分析を行う場合、リターンロスの方が役立つことがよくあります。その理由はきわめて単純です。デシベルが加算されるからです。

例えば、20 dB のリターンロスがあるコネクタインターフェイスがあり、ケーブルの各方向で 3 dB の損失があるとします。トランスミッタで確認した実効リターンロスはおよそ $20 + 2 \times 3 = 26$ dB です。反射信号はアンテナに向かって減衰し、そして再び戻ってきます。dB 単位で処理すると、VSWR と反射係数の間で変換を行ったり来たりしなくても、これらの効果をすばやくカスケードできます。

ベクタ・ネットワーク・アナライザ (VNA) を使用して $S_{11}$ を測定する際、実際に見ているのはリターンロスでもあります。実際、dB単位の $|S_{11}|$ はリターンロスのマイナス値に過ぎません。使用している VNA が $S_{11} = -18$ dB を示している場合、リターンロスは 18 dB で、これは VSWR が約 1.29:1 であることに相当します。リターンロスの考え方に慣れれば、多くのカスケード解析がはるかに速くなります。

よくある落とし穴

符号の慣習に悩まされるかもしれません。 一部の参考文献 (および一部の古い試験装置) では、リターンロスを $S_{11}$ (dB) に等しい負の数と定義しています。IEEE 規格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。データシートや機器が使用している規則を必ず確認してください。そうしないと、非常に混乱してしまいます。 ケーブルを紛失すると、VSWRの見栄えが実際よりも良くなります。 これは常に人々を惹きつけます。アナライザとアンテナの間に損失の多いケーブルがある場合、アナライザでの VSWR の読み取り値は、アンテナポートの実際の VSWR 値よりも見栄えがよくなります。ケーブル損失によって反射信号が 2 回 (出力時に 1 回、戻りに 1 回) 減衰するため、VSWR が人為的に低くなっていることがわかります。できる限り、必ずアンテナのリファレンスプレーンでキャリブレーションを行うか、少なくとも数学的にケーブル損失の埋め込みを解除してください。 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恐れがあります。アンテナ、フィルター、マッチングネットワークはすべて周波数に依存して動作します。中心周波数で 1.3:1 の測定値が得意だと思うかもしれませんが、20 MHz 離れると 2.5:1 になることがあります。常に動作帯域幅全体を調べて、ワーストケースのポイントを見つけてください。ほとんどのエンジニアはこれをスキップし、システムが受け入れテストに失敗した後で後悔します。

自分で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を開くを参考にして、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を一度に得ることができます。暗算や数式を掘り下げる必要はありません。ブックマークしてください。これは、予想以上に頻繁に利用するツールの1つです。特に、「十分良い」2.5:1 VSWRが実際にシステムに問題を引き起こしている理由を誰かに説明しようとしている場合は特にそうです。