定義和背景
在RF傳輸系統中,駐波比(SWR)用來衡量RF信號從功率發射源通過傳輸線,最終送入負載的傳輸效率。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,可能導致發射機損壞,降低發射效率。由于SWR通常用電壓比表示,也稱為電壓駐波比(VSWR)。
VSWR和系統效率
一個理想系統是從功率源100%地將能量傳送到負載,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。
而在實際系統中,阻抗失配將會導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。
由于理想系統中電壓保持不變,其VSWR為1.0,通常表示為1:1。產生反射時,電壓發生變化,VSWR會增大,例如,使VSWR達到1.2或1.2:1。
反射能量
當入射波到達邊界,例如,通過無損傳輸線到達負載時(圖1),一部分能量傳送到負載,而另一部分能量則會反射回去。反射系數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(Γ)的關系為:
VSWR = (1 + |Γ|)/(1 – |Γ|)(Eq. 2)
圖1.傳輸線電路說明了傳輸線與負載之間的阻抗失配,在邊界產生的反射為Γ,入射波為V+、反射波是V-。
可以直接利用SWR計測量VSWR,矢量網絡分析儀(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。S11和S22等同于輸入口、輸出口的反射系數Γ,VNAs數學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載阻抗計算反射系數,公式如下
Γ = (ZL - ZO)/(ZL + ZO)(Eq. 5)
式中,ZL是負載阻抗,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。負載開路時,VSWR為∞:1,當負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生:
VMAX = V+ + V-(Eq. 9)
最小值由入射波和反射波反向疊加產生:
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
MAX2016為雙通道對數檢測器/控制器,它與環行器和衰減器配套使用,用于監測天線的VSWR/回波損耗。MAX2016可輸出兩路功率檢測器的差。
MAX2016與MAX5402數字電位器和MAX1116/MAX1117 ADC組成一個完整的VSWR監測系統(圖2)。數字電位器用作MAX2016輸出參考電壓的分壓器,內部電壓基準可提供2mA典型電流,該電壓用于設置內部比較器的門限電壓(CSETL)。當輸出電壓高于或低于門限電壓(COUTL)時,產生報警輸出。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,ADC與微控制器共同監測天線的VSWR。
圖2. 配套ADC用于構建VSWR實時監測系統,用外部數字電位器配置比較器輸出(COUTL)報警門限。
總結
本文介紹了SWR或VSWR是衡量傳輸線路缺陷和效率的一種方式。VSWR與反射系數相關。比值越高說明失配越嚴重,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建一個系統來監測天線的VSWR。
審核編輯:湯梓紅
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原文標題:測量電壓駐波比(VSWR)量化傳輸線的阻抗失配
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