測量電壓駐波比量化傳輸線的阻抗失配

　　定義和背景

　　在RF傳輸系統(tǒng)中，駐波比（SWR）用來衡量RF信號從功率發(fā)射源通過傳輸線，最終送入負(fù)載的傳輸效率。例如，功率放大器通過一段傳輸線連接到天線。

　　SWR反映了入射波與反射波的比率，SWR越高表明傳輸線效率越低、反射能量越大，可能導(dǎo)致發(fā)射機(jī)損壞，降低發(fā)射效率。由于SWR通常用電壓比表示，也稱為電壓駐波比（VSWR）。

　　VSWR和系統(tǒng)效率

　　一個(gè)理想系統(tǒng)是從功率源100%地將能量傳送到負(fù)載，這需要信號源阻抗、傳輸線及其它連接器的特征阻抗與負(fù)載阻抗精確匹配。由于理想的傳輸過程不存在干擾，信號交流電壓在傳輸線兩端保持相同。

　　而在實(shí)際系統(tǒng)中，阻抗失配將會導(dǎo)致部分功率反射到信號源（如同一個(gè)回波）。反射引起疊加和相消干擾，從而在不同時(shí)間、不同距離在傳輸線上產(chǎn)生電壓波峰、波谷。VSWR用于度量這些電壓的變化，它是傳輸線上任何位置的最高電壓與最低電壓之比。

　　由于理想系統(tǒng)中電壓保持不變，其VSWR為1.0，通常表示為1:1。產(chǎn)生反射時(shí)，電壓發(fā)生變化，VSWR會增大，例如，使VSWR達(dá)到1.2或1.2:1。

　　反射能量

　　當(dāng)入射波到達(dá)邊界，例如，通過無損傳輸線到達(dá)負(fù)載時(shí)（圖1），一部分能量傳送到負(fù)載，而另一部分能量則會反射回去。反射系數(shù)表示入射波與反射波的比：

　　Γ = V-/V+（式1）

　　式中，V-是反射波，V+是入射波。VSWR與電壓反射系數(shù)（Γ）的關(guān)系為：

　　VSWR = （1 + |Γ|）/（1 – |Γ|）（式2）

　　圖1. 傳輸線電路說明了傳輸線與負(fù)載之間的阻抗失配，
在邊界產(chǎn)生的反射為Γ，入射波為V+、反射波是V-。

　　可以直接利用SWR計(jì)測量VSWR，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）等RF測試儀器可以用來測量輸入端口（S11）和輸出端口（S22）的反射系數(shù)。S11和S22等同于輸入口、輸出口的反射系數(shù)Γ，VNAs數(shù)學(xué)模型也可以直接用來計(jì)算、表征VSWR。

　　輸入和輸出端口的回波損耗可以通過反射系數(shù)S11或S22計(jì)算：

　　RLIN = 20log10|S11| dB（式3）

　　RLOUT = 20log10|S22| dB（式4）

　　可以通過傳輸線的特性阻抗和負(fù)載阻抗計(jì)算反射系數(shù)，公式如下：

　　Γ = （ZL - ZO）/（ZL + ZO）（式5）

　　式中，ZL是負(fù)載阻抗，ZO是傳輸線的特性阻抗（圖1）。

　　VSWR也可以用ZL和ZO表示。把式5代入式2，可以得到：

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

　　如果ZL?> ZO， |ZL - ZO| = ZL - ZO

　　則：

　　VSWR = （ZL + ZO + ZL - ZO）/（ZL + ZO - ZL + ZO） = ZL/ZO.（式6）

　　如果ZL?< ZO， |ZL - ZO| = ZO - ZL

　　則：

　　VSWR = （ZL + ZO + ZO - ZL）/（ZL + ZO - ZO + ZL） = ZO/ZL.（式7）

　　我們注意到上面所提到的VSWR是相對于1的比值，例如VSWR為1.5:1。VSWR有兩種特殊情況∞：1和1:1。負(fù)載開路時(shí)，VSWR為∞：1，當(dāng)負(fù)載與傳輸線特性阻抗完全匹配時(shí)，VSWR為1:1。

　　VSWR的定義是來自于傳輸線自身產(chǎn)生的駐波：

　　VSWR = |VMAX|/|VMIN|（式8）

　　其中，VMAX是傳輸線上駐波電壓的最大值，VMIN是傳輸線上駐波電壓的最小值。最大值由入射波和反射波同向疊加產(chǎn)生。因此：

　　VMAX = V+ + V-（式9）

　　最小值由入射波和反射波反向疊加產(chǎn)生：

　　VMIN = V+ - V-（式10）

　　把式9和式10代入式8，可得：

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

　　把式1代入式11，得到：

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

　　式12與本文式2相等。

　　VSWR檢測系統(tǒng)

　　MAX2016為雙通道對數(shù)檢測器/控制器，它與環(huán)行器和衰減器配套使用，用于監(jiān)測天線的VSWR/回波損耗。MAX2016可輸出兩路功率檢測器的差。

　　MAX2016與MAX5402數(shù)字電位器和MAX1116/MAX1117 ADC組成一個(gè)完整的VSWR監(jiān)測系統(tǒng)（圖2）。數(shù)字電位器用作MAX2016輸出參考電壓的分壓器，內(nèi)部電壓基準(zhǔn)可提供2mA典型電流，該電壓用于設(shè)置內(nèi)部比較器的門限電壓（CSETL）。當(dāng)輸出電壓高于或低于門限電壓（COUTL）時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警輸出。MAX1116 ADC的工作電壓為2.7V至3.6V，MAX1117 ADC的工作電壓為4.5V至5.5V。ADC也可以利用MAX2016提供電壓基準(zhǔn)，ADC與微控制器共同監(jiān)測天線的VSWR。

　　圖2. 配套ADC用于構(gòu)建VSWR實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，
用外部數(shù)字電位器配置比較器輸出（COUTL）報(bào)警門限。

　　總結(jié)

　　本指南了SWR或VSWR是衡量傳輸線路缺陷和效率的一種方式。VSWR與反射系數(shù)相關(guān)。比值越高說明失配越嚴(yán)重，而1:1是完全匹配的。匹配或失配取決于駐波的最大和最小幅度。SWR是傳輸能量與反射能量的比值。MAX2016是用來舉例說明如何創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)來監(jiān)測天線的VSWR。