測量電壓駐波比(VSWR)量化傳輸線的阻抗失配

測量電壓駐波比(VSWR)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(如同一個回波)。反射引起疊加和相消干擾，從而在不同時間、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，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(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+(Eq.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|)(Eq.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-?？梢灾苯永肧WR計測量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計算：RLIN

=20log10|S11|dB(Eq.3)RLOUT

=20log10|S22|dB(Eq.4)可以通過傳輸線的特性阻抗和負(fù)載阻抗計算反射系數(shù)，公式如下Γ=(ZL

-ZO)/(ZL

+ZO)(Eq.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(Eq.6)如果ZL

<ZO，|ZL

-ZO|=ZO

-ZL則：VSWR=(ZL

+ZO

+ZO

-ZL)/(ZL

+ZO

-ZO

+ZL)=ZO/ZL(Eq.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，VSWR為∞:1，當(dāng)負(fù)載與傳輸線特性阻抗完全匹配時，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|(Eq.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：VMAX

=V+

+V-(Eq.9)最小值由入射波和反射波反向疊加產(chǎn)生：VMIN

=V+

-V-(Eq.10)把式9和式10代入式8，可得：VSWR=|VMAX|/|VMIN|=(V+

+V-)/(V+

-V-)(Eq.11)把式1代入式11，得到：VSWR=V+(1+|Γ|)/(V+(1-|Γ|)=(1+|Γ|)/(1–|Γ|)(Eq.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/MAX1117ADC組成一個完整的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，產(chǎn)生報警輸出。MAX1116ADC的工作電壓為2.7V至3.6V，MAX1117ADC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實時監(jiān)測系統(tǒng)，用外部數(shù)字電位器配置比較器輸出(COUTL)報警門限?？偨Y(jié)本指南介紹了SWR或VSWR是衡量傳輸線路缺陷