Staande-golf verhouding (SWR, VWSR, IWSR)

De staande-golf verhouding (SWR) is een wiskundige uitdrukking van de niet-uniformiteit van een elektromagnetisch veld (EM-veld) op een transmissielijn zoals coaxiale kabel. Gewoonlijk wordt SWR gedefinieerd als de verhouding tussen de maximale radiofrequente (RF) spanning en de minimale RF spanning langs de lijn. Dit wordt ook wel de spannings-staandegolfverhouding (VSWR) genoemd. De SWR kan ook worden gedefinieerd als de verhouding tussen de maximale RF-stroom en de minimale RF-stroom op de lijn (current standing-wave ratio of ISWR). Voor de meeste praktische doeleinden is ISWR gelijk aan VSWR.

Onder ideale omstandigheden is de RF spanning op een signaaltransmissielijn op alle punten van de lijn gelijk, waarbij geen rekening wordt gehouden met vermogensverliezen veroorzaakt door de elektrische weerstand in de draad en onvolkomenheden in het diëlektrische materiaal dat de geleiders van de lijn scheidt. De ideale VSWR is daarom 1:1. (Vaak wordt de SWR-waarde eenvoudigweg geschreven in termen van het eerste getal, of teller, van de verhouding omdat het tweede getal, of noemer, altijd 1 is.) Wanneer de VSWR 1 is, is de ISWR ook 1. Deze optimale toestand kan alleen bestaan wanneer de belasting (zoals een antenne of een draadloze ontvanger), waaraan RF-vermogen wordt geleverd, een impedantie heeft die identiek is aan de impedantie van de transmissielijn. Dit betekent dat de weerstand van de belasting gelijk moet zijn aan de karakteristieke impedantie van de transmissielijn, en dat de belasting geen reactantie mag hebben (d.w.z. dat de belasting geen inductie of capaciteit mag hebben). In elke andere situatie fluctueren de spanning en stroom op verschillende punten langs de lijn, en is de SWR niet 1.

Wanneer de impedanties van de lijn en de belasting identiek zijn en de SWR 1 is, wordt al het RF-vermogen dat vanaf een transmissielijn een belasting bereikt, door die belasting gebruikt. Als de belasting een antenne is, neemt het gebruik de vorm aan van EM-veldstraling. Als de belasting een communicatieontvanger of -terminal is, wordt het signaalvermogen omgezet in een andere vorm, zoals een audio-visuele weergave. Indien de impedantie van de belasting niet identiek is aan de impedantie van de transmissielijn, absorbeert de belasting niet al het RF-vermogen (voorwaarts vermogen genoemd) dat haar bereikt. In plaats daarvan wordt een deel van het RF-vermogen naar de signaalbron teruggezonden wanneer het signaal het punt bereikt waar de lijn met de belasting is verbonden. Dit staat bekend als gereflecteerd vermogen of omgekeerd vermogen.

De aanwezigheid van gereflecteerd vermogen, samen met het voorwaartse vermogen, vormt een patroon van spanningsmaxima (lussen) en -minima (knooppunten) op de transmissielijn. Hetzelfde gebeurt met de verdeling van de stroom. De SWR is de verhouding van de RF-spanning op een lus tot de RF-spanning op een knooppunt, of de verhouding van de RF-stroom op een lus tot de RF-stroom op een knooppunt. In theorie is er geen limiet aan hoe hoog deze verhouding kan worden. De slechtste gevallen (hoogste SWR-waarden) doen zich voor wanneer er geen belasting op het uiteinde van de lijn is aangesloten. Deze toestand, die bekend staat als een niet-afgesloten transmissielijn, doet zich voor wanneer het uiteinde van de lijn ofwel kortgesloten is ofwel open gelaten wordt. In theorie is de SWR in beide gevallen oneindig; in de praktijk wordt deze begrensd door lijnverliezen, maar kan deze meer dan 100 bedragen. Dit kan aanleiding geven tot extreme spanningen en stromen op bepaalde punten op de lijn.

De SWR op een transmissielijn is wiskundig gerelateerd aan (maar niet hetzelfde als) de verhouding tussen gereflecteerd vermogen en doorgelaten vermogen. In het algemeen geldt: hoe hoger de verhouding tussen gereflecteerd en doorgelaten vermogen, des te groter is de SWR. Het omgekeerde is ook waar. Wanneer de SWR op een transmissielijn hoog is, is het vermogensverlies in de lijn groter dan het verlies dat optreedt wanneer de SWR 1 is. Dit overdreven verlies, bekend als SWR-verlies, kan aanzienlijk zijn, vooral wanneer de SWR groter is dan 2 en de transmissielijn om te beginnen al een aanzienlijk verlies heeft. Om deze reden streven RF-ingenieurs ernaar de SWR op communicatietransmissielijnen te minimaliseren. Een hoge SWR kan ook andere ongewenste effecten hebben, zoals oververhitting van de transmissielijn of afbraak van het diëlektrische materiaal dat de geleiders van de lijn scheidt.

In sommige situaties, zoals bij relatief lage RF-frequenties, lage RF-vermogensniveaus en korte lengtes van transmissielijnen met laag verlies, veroorzaakt een matig hoge SWR geen significant SWR-verlies of oververhitting van de lijn, en kan daarom worden getolereerd.