Einführung in die VSWR-Analyse (Spannungsstehwellenverhältnis) mit QucsStudio

Von den Grundlagen des VSWR bis zur Antennenleistungsbewertung

Das VSWR ist ein wichtiger Parameter beim Entwurf und bei der Bewertung von Antennen und Hochfrequenzleitungen. In diesem Artikel werden das Konzept des VSWR, seine Messmethoden sowie die Schritte zur Darstellung eines VSWR-Diagramms in QucsStudio anhand der S-Parameter einer Antenne erläutert.

Was ist VSWR?

Das VSWR (Voltage Standing Wave Ratio oder Spannungsstehwellenverhältnis) beschreibt das Verhältnis zwischen dem maximalen und minimalen Amplitudenwert einer stehenden Welle, die entsteht, wenn ein Hochfrequenzsignal auf einer Leitung teilweise reflektiert wird. Im Idealfall beträgt das VSWR 1, was eine perfekte Impedanzanpassung zwischen Leitung und Last bedeutet. Ein höheres VSWR deutet auf eine schlechtere Anpassung hin, was zu einer stärkeren Reflexion führt und die Übertragungsqualität beeinträchtigen kann.

Messung und Berechnung des VSWR

Zur Messung des VSWR wird ein Richtkoppler verwendet, um zwischen vorwärtslaufender und reflektierter Welle zu unterscheiden. Die Messung erfolgt typischerweise mit einem speziellen VSWR-Messgerät oder einem Netzwerk-Analysator, die die Amplituden beider Wellen erfassen und das VSWR mit folgender Formel berechnen:

Hierbei ist Γ (Gamma) der Reflexionskoeffizient. Je kleiner der Betrag von Γ, desto besser ist die Anpassung.

Die Bedeutung des VSWR

Ein VSWR nahe 1 zeigt eine ideale Impedanzanpassung, bei der die zugeführte Leistung nahezu vollständig von der Antenne genutzt wird. Dies führt zu einer hohen Sendeeffizienz und optimierten Empfangsempfindlichkeit, was die Qualität und Reichweite der Kommunikation verbessert. Umgekehrt bedeutet ein höheres VSWR eine schlechtere Anpassung und mehr reflektierte Leistung, was die Leistung des Antennensystems beeinträchtigen kann. Für Antennen wird allgemein ein VSWR-Wert unter 1,5 angestrebt, was einem Reflexionsverlust von weniger als 4 % entspricht.

VSWR und Return Loss

Ein weiterer, eng mit dem VSWR verbundener Parameter ist der Return Loss. Dieser beschreibt, wie viel der zugeführten Leistung ohne Reflexion in der Last verbraucht wird, und wird in Dezibel (dB) angegeben. Ein hoher Return Loss bedeutet eine gute Anpassung mit geringer Reflexion. Der Return Loss lässt sich mit folgender Formel berechnen:

Return Loss = -20 log10 |Γ|

VSWR und Return Loss ergänzen sich und werden gemeinsam zur Beurteilung der Anpassung eines Übertragungswegs verwendet.

VSWR-Diagrammanzeige in QucsStudio

QucsStudio ist ein Software-Tool zur Simulation und zum Design elektronischer Schaltungen. Es bietet Funktionen zur Messung der S-Parameter von Antennen und anderen Hochfrequenzkomponenten und zur Berechnung des VSWR.

Im Folgenden wird die Methode zur Anzeige eines S-Parameter-Diagramms in QucsStudio beschrieben. Die in diesem Artikel verwendeten S-Parameter stammen von der 2,4-GHz-Chipantenne 2450AT07A0100001T von JHOHANSON, die im Internet heruntergeladen werden können.

1. QucsStudio starten: Öffnen Sie QucsStudio und erstellen Sie ein neues Projekt.
2. Import der S-Parameter-Datei: Gehen Sie im „Project“-Ansicht zum „Components“-Tab, wählen Sie unter „system components“ die Option „s-parameter file“, platzieren Sie das Bauteil im Schaltplan, und öffnen Sie per Doppelklick das Eigenschaftsfenster. Stellen Sie die Anzahl der „Ports“ ein und wählen Sie die S-Parameter-Datei aus.
3. Simulation ausführen: Fügen Sie eine Stromquelle hinzu und führen Sie eine S-Parameter-Simulation aus.
4. Erstellen des Diagramms: Gehen Sie im Menü „Insert“ auf „Diagram“ und fügen Sie ein „Cartesian Diagram“ hinzu. Wechseln Sie in die Diagrammeinstellungen, wählen Sie im Tab „Data“ die Daten für den Return Loss dB(S[1,1]) und erstellen Sie das Diagramm. (In manchen Fällen wird dies automatisch erstellt, sobald die Simulation abgeschlossen ist.)

Dies zeigt ein Diagramm des Return Loss. Obwohl hier bereits ersichtlich ist, dass es zwischen 2,4 und 2,5 GHz wenig Reflexion gibt, ist die Resonanzfrequenz im VSWR-Diagramm deutlicher erkennbar.

Um das Diagramm anzupassen, doppelklicken Sie darauf, um die Eigenschaften zu öffnen. Wählen Sie das dB(S[1,1])-Diagramm aus und ändern Sie es auf vswr(S[1,1]).

Auf diese Weise lässt sich das Diagramm einfach in ein VSWR-Diagramm umwandeln. Im Vergleich zur Anzeige des Return Loss ist im VSWR-Diagramm der Resonanzbereich der Antenne besser sichtbar.

In diesem Artikel haben wir die Grundlagen des VSWR, die Berechnungsmethode und die Schritte zur Anzeige des VSWR-Diagramms aus den S-Parametern einer Antenne in QucsStudio beschrieben. Das VSWR ist ein unverzichtbarer Parameter zur Bewertung der Impedanzanpassung einer Antenne und zur Optimierung der Leistung von Kommunikationssystemen. Wir hoffen, dass dieser Leitfaden Ihr Verständnis des VSWR vertieft und Ihnen bei der Entwicklung und Bewertung von Antennen nützlich ist.