一種測(cè)量傳輸線缺陷和效率的方法：電壓駐波比（VSWR）

射頻（RF）電傳輸線中的阻抗不匹配會(huì)導(dǎo)致功率損耗和反射能量。電壓駐波比（VSWR）是一種測(cè)量傳輸線缺陷的方法。本教程定義了VSWR，并說明了其計(jì)算方法。最后，顯示了天線VSWR監(jiān)視系統(tǒng)。

定義和背景
為了使傳輸線具有最高的質(zhì)量，必須進(jìn)行阻抗匹配。這樣可以確保通過線路傳輸?shù)墓β室韵嗤膹?qiáng)度到達(dá)目的地。但是，在實(shí)際情況下，傳輸線并沒有理想的完美。衡量生產(chǎn)線效率的事情之一是通過其VSWR。

在射頻（RF）電傳輸系統(tǒng)中，駐波比（SWR）是衡量RF電源從電源通過傳輸線傳輸?shù)截?fù)載的效率的度量。一個(gè)常見的例子是通過傳輸線連接到天線的功率放大器。

因此，SWR是透射波與反射波之比。較高的SWR表示傳輸線效率和反射能量較差，這可能會(huì)損壞發(fā)射器并降低發(fā)射器效率。由于SWR通常是指電壓比，因此通常稱為電壓駐波比（VSWR）。

VSWR和系統(tǒng)效率
在理想的系統(tǒng)中，100％的能量從功率級(jí)傳輸?shù)截?fù)載。這需要在源阻抗（即傳輸線及其所有連接器的特征阻抗）與負(fù)載的阻抗之間進(jìn)行精確匹配。信號(hào)的交流電壓從一端到另一端都是相同的，因?yàn)樗ㄟ^時(shí)不會(huì)受到干擾。

但是，在實(shí)際系統(tǒng)中，阻抗不匹配會(huì)導(dǎo)致一些功率被反射回源（如回聲）。反射會(huì)造成相長(zhǎng)和相消干擾，從而導(dǎo)致電壓沿線路的不同時(shí)間和不同距離出現(xiàn)峰值和谷值。VSWR測(cè)量這些電壓變化。它是傳輸線上任何地方的最高電壓與最低電壓之比。

由于電壓在理想系統(tǒng)中不會(huì)發(fā)生變化，因此其VSWR為1.0或通常以1：1的比率表示。發(fā)生反射時(shí)，電壓會(huì)發(fā)生變化，VSWR會(huì)更高，例如1.2或1.2：1。

反射能量
當(dāng)傳輸波碰到邊界（例如無(wú)損傳輸線和負(fù)載之間的邊界）時(shí)（圖1），一些能量將被傳輸?shù)截?fù)載，而某些能量將被反射。反射系數(shù)將入射波和反射波關(guān)聯(lián)為：

Γ= V- / V +（式1）

其中V-是反射波，V +是入射波。VSWR通過以下方式與電壓反射系數(shù)（Γ）的大小有關(guān)：

VSWR =（1 + |Γ|）/（1 – |Γ|）（等式2）

傳輸線電路，說明傳輸線和負(fù)載之間的阻抗失配邊界。反射發(fā)生在由?指定的邊界處。入射波為V +，反射波為V-。

VSWR可以直接用SWR表測(cè)量?？梢允褂弥T如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）之類的RF測(cè)試儀器來測(cè)量輸入端口（S11）和輸出端口（S22）的反射系數(shù)。S11和S22分別等效于輸入和輸出端口上的Γ。具有數(shù)學(xué)模式的VNA還可以直接計(jì)算并顯示最終的VSWR值。

可以根據(jù)反射系數(shù)S11或S22計(jì)算輸入和輸出端口的回波損耗，如下所示：

RLIN = 20log10 | S11 |dB（等式3）

RLOUT = 20log10 | S22 |dB（等式4）

反射系數(shù)由傳輸線的特征阻抗和負(fù)載阻抗計(jì)算得出，如下所示：

Γ=（ZL – ZO）/（ZL + ZO）（等式5）

其中ZL是負(fù)載阻抗，ZO是傳輸線的特征阻抗（圖1）。

VSWR也可以用ZL和ZO表示。將公式5代入公式2，我們得到：

VSWR = [1 + |（ZL – ZO）/（ZL + ZO）|] / [1 – |（ZL – ZO）/（ZL + ZO）|] =（ZL + ZO + | ZL – ZO |）/ （ZL + ZO – | ZL – ZO |）

對(duì)于ZL> ZO，| ZL – ZO |= ZL – ZO

所以：

VSWR =（ZL + ZO + ZL – ZO）/（ZL + ZO – ZL + ZO）= ZL / ZO。（式6）

對(duì)于ZL

所以：

VSWR =（ZL + ZO + ZO – ZL）/（ZL + ZO – ZO + ZL）= ZO / ZL。（式7）

上面我們指出，VSWR是相對(duì)于1的比率形式的規(guī)格，例如1.5：1。VSWR有兩種特殊情況，∞：1和1：1。當(dāng)負(fù)載開路時(shí)，無(wú)窮比與無(wú)窮大之比發(fā)生。當(dāng)負(fù)載與傳輸線特性阻抗完全匹配時(shí)，比率為1：1。

VSWR是根據(jù)在傳輸線上本身產(chǎn)生的駐波定義的：

VSWR = | VMAX | / | VMIN |（式8）

其中VMAX是駐波的最大振幅，而VMIN是駐波的最小振幅。對(duì)于兩個(gè)疊加波，最大值在入射波和反射波之間產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉時(shí)發(fā)生。因此：

VMAX = V + + V-（式9）

以獲得最大的建設(shè)性干擾。最小振幅發(fā)生在相消干涉下，或者：

VMIN = V + – V-（式10）

將方程式9和10代入方程式8可得出：

VSWR = | VMAX | / | VMIN |=（V + + V-）/（V + – V-）（式11）

將公式1代入公式11，我們得到：

VSWR = V +（1 + |Γ|）/（V +（1-|Γ|）=（1 + |Γ|）/（1-|Γ|）（等式12）

公式12是本文開頭所述的公式2。

VSWR監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

MAX2016是雙對(duì)數(shù)檢波器/控制器，當(dāng)與循環(huán)器和衰減器配對(duì)時(shí)，可用于監(jiān)測(cè)天線的VSWR /回波損耗。MAX2016輸出兩個(gè)功率檢測(cè)器之間的差。

VSWR監(jiān)視系統(tǒng)由一個(gè)用于實(shí)時(shí)測(cè)量的ADC組成。外部數(shù)字電位器可在比較器的輸出（COUTL）上啟用可配置的警報(bào)信號(hào)。

MAX2016與MAX5402數(shù)字電位器和MAX1116 / MAX1117 ADC相結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)完整的VSWR監(jiān)視系統(tǒng)（圖2）。數(shù)字電位器通過使用MAX2016的參考電壓輸出作為分壓器。內(nèi)部基準(zhǔn)電壓通常可以提供2mA的電流。該電壓設(shè)置內(nèi)部比較器（引腳CSETL）的閾值電壓。當(dāng)輸出電壓超過閾值（引腳COUTL）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生警報(bào)。MAX1116 ADC需要2.7V至3.6V電源，而MAX1117 ADC需要4.5V至5.5V。ADC還可以使用MAX2016提供的外部基準(zhǔn)電壓。與微控制器配對(duì)的ADC允許對(duì)天線的VSWR進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控。

總結(jié)

本教程將SWR或VSWR描述為一種測(cè)量傳輸線缺陷和效率的方法。VSWR與反射系數(shù)有關(guān)。較高的比率表示較大的不匹配，而1：1的比率則完全匹配。這種匹配或不匹配是由駐波的最大和最小幅度引起的。SWR與透射能量和反射能量之比有關(guān)。

編輯：hfy