射頻(RF)電傳輸線中的阻抗不匹配會導致功率損耗和反射能量。電壓駐波比(VSWR)是一種測量傳輸線缺陷的方法。本教程定義了VSWR,并說明了其計算方法。最后,顯示了天線VSWR監視系統。
定義和背景
為了使傳輸線具有最高的質量,必須進行阻抗匹配。這樣可以確保通過線路傳輸的功率以相同的強度到達目的地。但是,在實際情況下,傳輸線并沒有理想的完美。衡量生產線效率的事情之一是通過其VSWR。
在射頻(RF)電傳輸系統中,駐波比(SWR)是衡量RF電源從電源通過傳輸線傳輸到負載的效率的度量。一個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,這可能會損壞發射器并降低發射器效率。由于SWR通常是指電壓比,因此通常稱為電壓駐波比(VSWR)。
VSWR和系統效率
在理想的系統中,100%的能量從功率級傳輸到負載。這需要在源阻抗(即傳輸線及其所有連接器的特征阻抗)與負載的阻抗之間進行精確匹配。信號的交流電壓從一端到另一端都是相同的,因為它通過時不會受到干擾。
但是,在實際系統中,阻抗不匹配會導致一些功率被反射回源(如回聲)。反射會造成相長和相消干擾,從而導致電壓沿線路的不同時間和不同距離出現峰值和谷值。VSWR測量這些電壓變化。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中不會發生變化,因此其VSWR為1.0或通常以1:1的比率表示。發生反射時,電壓會發生變化,VSWR會更高,例如1.2或1.2:1。
反射能量
當傳輸波碰到邊界(例如無損傳輸線和負載之間的邊界)時(圖1),一些能量將被傳輸到負載,而某些能量將被反射。反射系數將入射波和反射波關聯為:
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(Γ)的大小有關:
VSWR =(1 + |Γ|)/(1 – |Γ|)(等式2)
傳輸線電路,說明傳輸線和負載之間的阻抗失配邊界。反射發生在由?指定的邊界處。入射波為V +,反射波為V-。
VSWR可以直接用SWR表測量。可以使用諸如矢量網絡分析儀(VNA)之類的RF測試儀器來測量輸入端口(S11)和輸出端口(S22)的反射系數。S11和S22分別等效于輸入和輸出端口上的Γ。具有數學模式的VNA還可以直接計算并顯示最終的VSWR值。
可以根據反射系數S11或S22計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)
反射系數由傳輸線的特征阻抗和負載阻抗計算得出,如下所示:
Γ=(ZL – ZO)/(ZL + ZO)(等式5)
其中ZL是負載阻抗,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 |)
對于ZL> ZO,| ZL – ZO |= ZL – ZO
所以:
VSWR =(ZL + ZO + ZL – ZO)/(ZL + ZO – ZL + ZO)= ZL / ZO。(式6)
對于ZL
所以:
VSWR =(ZL + ZO + ZO – ZL)/(ZL + ZO – ZO + ZL)= ZO / ZL。(式7)
上面我們指出,VSWR是相對于1的比率形式的規格,例如1.5:1。VSWR有兩種特殊情況,∞:1和1:1。當負載開路時,無窮比與無窮大之比發生。當負載與傳輸線特性阻抗完全匹配時,比率為1:1。
VSWR是根據在傳輸線上本身產生的駐波定義的:
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。對于兩個疊加波,最大值在入射波和反射波之間產生相長干涉時發生。因此:
VMAX = V + + V-(式9)
以獲得最大的建設性干擾。最小振幅發生在相消干涉下,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監測系統
MAX2016是雙對數檢波器/控制器,當與循環器和衰減器配對時,可用于監測天線的VSWR /回波損耗。MAX2016輸出兩個功率檢測器之間的差。
VSWR監視系統由一個用于實時測量的ADC組成。外部數字電位器可在比較器的輸出(COUTL)上啟用可配置的警報信號。
MAX2016與MAX5402數字電位器和MAX1116 / MAX1117 ADC相結合,構成一個完整的VSWR監視系統(圖2)。數字電位器通過使用MAX2016的參考電壓輸出作為分壓器。內部基準電壓通常可以提供2mA的電流。該電壓設置內部比較器(引腳CSETL)的閾值電壓。當輸出電壓超過閾值(引腳COUTL)時,會產生警報。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提供的外部基準電壓。與微控制器配對的ADC允許對天線的VSWR進行持續監控。
總結
本教程將SWR或VSWR描述為一種測量傳輸線缺陷和效率的方法。VSWR與反射系數有關。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。
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