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RF

VSWR & リターンロス計算ツール

VSWR、リターンロス、反射係数、ミスマッチ損失、反射/送信電力パーセンテージを変換して、RFインピーダンスマッチングを行います。

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公式

VSWR=1+∣Γ∣1−∣Γ∣,RL=−20log⁡10∣Γ∣\text{VSWR} = \frac{1+|\Gamma|}{1-|\Gamma|}, \quad RL = -20\log_{10}|\Gamma|

参考: Pozar, "Microwave Engineering" 4th ed., Chapter 2

|Γ|— 反射係数の大きさ
VSWR— 電圧定在波比 (:1)
RL— リターン・ロス (dB)

仕組み

VSWRとリターンロス計算機は、インピーダンスのミスマッチが発生した場合に、VSWR、反射係数、リターンロス、およびミスマッチロスを変換します。RFエンジニア、アンテナ設計者、ワイヤレスシステムインテグレーターは、これを使用して電力伝達効率を評価し、反射電力による機器の損傷を防ぎます。反射係数ガンマ = (ZL-Z0)/(ZL + Z0) は、RF測定のIEEE規格1785.1に従い、VSWR = (1 + |ガンマ|)/(1-|ガンマ|) を決定します。

リターンロス RL = -20*log10 (|Gamma|) はデシベル単位でミスマッチを表します。10 dB RL は 10% の反射電力と VSWR 1. 92:1 に相当しますが、20 dB RL は 1% の反射電力とVSWR 1. 22:1 に相当します。Pozarの「マイクロ波エンジニアリング」（第4版）によると、ミスマッチ損失ML = -10*log10 (1-|Gamma|^2) は、反射によって実際に失われる電力を表しています。VSWR 2:1 では、負荷に到達しない入射電力はわずか 0.51 dB (11%) です。

ほとんどの RF システムでは、VSWR < 2:1 が許容値 (11% 未満の電力損失) として規定されています。高精度システムでは、VSWR が 1. 5:1 未満 (電力損失 4% 未満) である必要があります。セルラー基地局は通常、アンテナポートで VSWR < 1. 3:1 と規定しています。高出力トランスミッタは、反射電力が出力段に損傷を与える可能性があるため、VSWRの影響を受けやすくなります。VSWRが 2:1 の100Wトランスミッタは、11WをPAに向けて反射します。

計算例

問題：144 MHzの50Wアマチュア無線送信機のVSWRを1. 5:1 と測定して、アンテナシステムの性能を評価します。

IEEE 伝送線路解析を使用した解決策: 1.反射係数の計算:ガンマ = (1.5-1)/(1.5+ 1) = 0.2 2.反射電力:p_REFL = |Gamma|^2 P_FWD = 0.04 50W = 2W (4% 反射) 3.リターンロス:RL = -20*log10 (0.2) = 14.0 dB 4.ミスマッチロス:ML = -10*log10 (1-0.04) = 0.18 dB 5.アンテナに供給される電力:50W-2W = 48W (96% の効率) 6.トランスミッタの評価：ほとんどのアマチュアトランシーバは、損傷なく最大 3:1 のVSWRに耐えます。1. 5:1 は優れています。

業界標準による比較ポイント: -VSWR 1. 2:1 (ガンマ = 0.09): 0.83% の反射、0.04 dB の損失 — 高精度グレード -VSWR 2. 0:1 (ガンマ = 0.33): 11.1% の反射、0.51 dB の損失 — 許容値 -VSWR 3. 0:1 (ガンマ = 0.50): 25.0% の反射、1.25 dB の損失 — わずかですが、トランスミッタのフォールドバックが発生する可能性があります

実践的なヒント

  • ✓ベクトルネットワークアナライザー（VNA）を使用して、周波数帯域全体で正確なVSWR特性評価を行います。SWRメーターによるスカラー測定では、ネットワーク設計のマッチングに必要な振幅（位相）情報のみが表示され、一致させるために必要なリアクティブ（位相）情報が不足しています
  • ✓トランスミッタ保護のため、VSWRフォールドバック閾値をソリッドステートPAの場合は2：1（熱による損傷を防ぐ）、チューブPAの場合は3：1（ミスマッチに対する耐性が高い）に設定します
  • ✓VSWRが仕様を超える場合は、体系的にトラブルシューティングを行います。コネクタのトルク（IEEE 287に基づくSMAの場合は8インチポンド）のチェック、TDRとのケーブルの整合性の確認、アンテナの腐食や機械的損傷の有無の検査を行います。

よくある間違い

  • ✗VSWR 1:1 が実際に達成可能であると仮定すると、実際のシステムにはすべて多少のミスマッチがあります。VSWR 1.05:1 は IEEE 287-2007 に基づく高精度キャリブレーション標準の実際的な限界です。
  • ✗ブロードバンド性能が重要な場合の単一周波数でのVSWRの測定 — アンテナのVSWRは周波数によって異なります。2.4 GHzアンテナでは、VSWRが中央で1. 3:1、バンドエッジで2. 5:1 と表示される場合があります (2.4-2.48 GHz)
  • ✗紛らわしいリターン・ロスの符号規則 — IEEEではリターン・ロスを正のdB（大きいほど良い：20 dB RL = 良好）と定義していますが、一部の機器ではS11が負のdB（-20 dB S11 = 20 dB RL）と表示されます。
  • ✗見かけ上のVSWRに対するケーブル損失の影響を無視すると、ケーブル損失が3 dBになると測定されたVSWRが減少します。実際のVSWR 3：1は、損失の多いケーブルでも2：1と表示されます。精度を保つため、必ずアンテナ給電点でVSWRを測定してください

よくある質問

業界標準によるアプリケーション依存：セルラー/5G基地局アンテナ：1. 3:1 未満（3GPP仕様）。WiFi/ISM トランスミッター:1. 5:1 未満 (FCC テストでは通常 2:1 で可能です)。アマチュア無線:2:1 未満を推奨、ATU では 3:1 未満でも許容範囲内です。軍事/航空宇宙:1. 25:1 未満と指定されることが多い。受信機専用システム:電力損傷のリスクがないため 2:1 未満で十分です。2:1 のしきい値 (11% の反射電力、0.51 dB の損失) は、パフォーマンスと実用的な達成可能性のバランスを取ります。
VSWRは3つの影響を及ぼします。（1）ミスマッチ損失 — VSWR 2:1 では、負荷に到達する電力が0.51dB少なくなります。（2）伝送線路の定在波—電圧のピークがソース出力を（1+ |Gamma|）上回る可能性があり、高電力システムで絶縁破壊を引き起こす可能性があります。（3）周波数依存応答：VSWRは周波数応答にリップルを発生させ、全域で+/-0.51 dB変動します VSWR 2:1 でのクォーター波長ほとんどのシステムでは、ミスマッチロスが主な懸念事項です。
はい、インピーダンスは本質的に周波数に依存します。共振ダイポールのVSWRは、設計周波数では1. 4:1 ですが、+/ -5% の周波数オフセットでは 3:1 に上昇します。広帯域アンテナ（対数周期、ディスコーン）は、抵抗負荷または進行波設計により、数十年の帯域幅にわたってVSWRを 2:1 未満に維持します。VSWR は常に、中心周波数だけでなく、動作帯域幅全体にわたって指定してください。
周波数別にランク付けされた一般的な原因：(1) アンテナが動作周波数にチューニングされていない — 最も一般的なのは、アンテナの長さを調整するか、ネットワークを調整すること、(2) コネクタの損傷/腐食—摩耗しているN/SMAコネクタの点検と交換; (3) 屋外ケーブル/コネクタの水の浸入 — 耐候性のあるブーツとドリップループを使用する。(4) ケーブルのインピーダンスが正しくない — 50 オームシステムの75オームCATVケーブルがVを示す SWR 1. 最低 5:1、(5) 製造上の欠陥 — まれにしか発生しない可能性があります。正常なコンポーネントで検証してください。
慣習は状況によって異なります。IEEE 規格 1785.1 では、リターンロスを正のデシベル（RL = -20*log10 (|Gamma|)）と定義しているため、値が大きいほど一致度が高くなります（20 dB RL = 優れている、6 dB RL = 悪い）。ネットワーク・アナライザでは、S11は反射係数を直接表す負のデシベルとして表示されます。S11 = 20*log10 (|Gamma|) なので、-20 dB S11 = 20 dB RL = VSWR 1. 22:1 となります。仕様を伝えるときは、必ず符号規則を明確にしてください。
ほとんどのHF/VHFトランシーバは、内蔵ATUまたはパワーフォールドバックを介して最大3：1のVSWRで安全に動作します。3:1 での反射電力は 25%（100Wから25W）です。最高の効率を得るには、主動作周波数の VSWR < 1.5:1 を目指します。これはわずか 4% の反射電力 (0.18 dB のミスマッチ損失) です。VSWR < 2:1 の場合、89% の電力がアンテナに供給されます。これは、弱い信号やコンセントを使用する場合を除いては、すべて許容範囲です。3:1 を超えると、最新のリグのほとんどが自動的に電力を削減します。古いチューブリグはより高い VSWR を処理できますが、PA が損傷するリスクがあります。
式:RL (dB) = -20* log10 ((VSWR-1)/(VSWR + 1))。クイックリファレンステーブル:VSWR 1. 2:1 = 20.8 dB RL; VSWR 1. 5:1 = 14.0 dB RL; VSWR 2. 0:1 = 9.5 dB RL; VSWR 3. 0:1 = 6.0 dB RL; VSWR 5. 0:1 = 3.5 dB RL。リターンロスが大きい（dB が大きい）ほどマッチングが良くなります。20 dB RL ポートは入射電力の 1% しか反射しません。この計算ツールはVSWR、リターンロス、反射係数、およびミスマッチ損失を双方向に変換します。
S11 = -15 dB は |Gamma| = 10^ (-15/20) = 0.178 を意味します。VSWR に変換:VSWR = (1 + 0.178)/(1-0.178) = 1. 43:1性能分析:反射電力 = |ガンマ|^2 = 3.2%、ミスマッチ損失 = 0.14 dB、96.8% の電力が負荷に到達します。これは優れたパフォーマンスであり、商用ワイヤレスシステムで一般的に必要とされる 1.5:1 (14 dB RL) よりも優れています。重要なアプリケーション (航空宇宙、テスト機器) では -20 dB S11 (VSWR 1. 22:1) 以上と規定されている場合があります。
アンテナのインピーダンスは複素数 (R+jx) で、周波数に依存します。共振時には、リアクタンス X が相殺され、インピーダンスは純粋に抵抗性になります。つまり、半波ダイポールでは約 73 オームになります。共振から離れると、容量性 (下) または誘導性 (上) のリアクタンスが現れ、VSWR が増加します。一般的なダイポールのVSWRは、共振時の1. 4:1 から、+/ -5% の周波数では 3:1 に上昇します。ブロードバンド・マッチング・ネットワークでは、ある程度の効率 (マッチング部品の抵抗損失) を犠牲にしても、帯域全体にわたるVSWRの変動を低減できます。

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