电压驻波比定义和公式

射频 （RF） 输电线路中的阻抗不匹配会导致功率损耗和反射能量。电压驻波比（VSWR）是一种测量传输线缺陷的方法。本教程定义 VSWR 并说明其计算方式。最后，展示了天线驻波比监测系统。

驻波比定义

电压驻波比（VSWR）定义为射频（RF）电气传输系统中发射和反射电压驻波之间的比值。它是衡量RF功率从电源通过传输线传输到负载的效率的指标。一个常见的例子是通过传输线连接到天线的功率放大器。

因此，SWR是透射波和反射波之间的比率。高驻波比表示传输线效率和反射能量较差，这会损坏发射器并降低发射器效率。由于SWR通常是指电压比，因此通常称为电压驻波比（VSWR）。

驻波比和系统效率

在理想的系统中，100%的能量从功率级传输到负载。这要求源阻抗（传输线及其所有连接器的特性阻抗）与负载阻抗完全匹配。信号的交流电压从头到尾都是相同的，因为它通过而不受干扰。

在实际系统中，不匹配的阻抗会导致一些功率反射回源（如回波）。这些反射会造成相长和破坏性干扰，导致电压出现峰值和谷值，随传输线的时间和距离而变化。VSWR量化了这些电压变化，因此电压驻波比的另一个常用定义是，它是传输线上任何点的最高电压与最低电压的比值。

对于理想的系统，电压不会变化。因此，其驻波比为 1.0（或更通常表示为 1：1 的比率）。发生反射时，电压会发生变化，VSWR会更高，例如1.2（或1.2：1）。VSWR的增加与传输线（以及整体发射器）效率的降低相关。

反射能量

当发射波碰到无损传输线和负载之间的边界（图1）时，一些能量将传输到负载，一些能量将被反射。反射系数将入射波和反射波关联为：

 

Γ = V/V-+

（公式1）

 

其中V是反射波，V是入射波。VSWR与电压反射系数（Γ）的大小相关如下：-+

 

驻波比 = （1 + |Γ|）/(1 – |Γ|)

（公式2）

 

图1.传输线电路说明了传输线和负载之间的阻抗失配边界。反射发生在Γ指定的边界处。入射波为V，反射波为V。+-

驻波比可以直接用SWR计测量。矢量网络分析仪（VNA）等RF测试仪器可用于测量输入端口（S11） 和输出端口 （S22).S11和 S22分别相当于输入端口和输出端口的Γ。具有数学模式的 VNA 也可以直接计算和显示生成的 VSWR 值。

输入和输出端口的回波损耗可通过反射系数S 计算11或 S22如下：

 

RL在= 20log10|S11|分贝	（公式3）
RL外= 20log10|S22|分贝	（公式4）

 

反射系数由传输线的特性阻抗和负载阻抗计算如下：

 

Γ = （ZL- ZO）/（ZL+ ZO)

（公式5）

 

其中 ZL是负载阻抗和ZO是传输线的特性阻抗（图1）。

驻波比也可以用 Z 表示L和 ZO.将等式 5 代入等式 2，我们得到：

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

对于 ZL>ZO, |ZL- ZO|= ZL- ZO

因此：

 

驻波比 = （ZL+ ZO+ ZL- ZO）/（ZL+ ZO- ZL+ ZO） = ZL/ZO.

（公式6）

 

对于 ZL

因此：

 

驻波比 = （ZL+ ZO+ ZO- ZL）/（ZL+ ZO- ZO+ ZL） = ZO/ZL.

（公式7）

 

我们在上面指出，VSWR是以相对于1的比率形式给出的规范，例如1.5：1。VSWR 有两种特殊情况，∞：1 和 1：1。当负载为开路时，会出现无穷大与 1 的比率。当负载与传输线特性阻抗完全匹配时，比率为1：<>。

驻波比由传输线本身产生的驻波定义，下式：

 

VSWR = |VMAX|/|VMIN|

（公式8）

 

其中 V.MAX是最大振幅和V最低是驻波的最小振幅。对于两个叠加波，最大值发生在入射波和反射波之间的相长干涉下。因此：

 

V.MAX= V + V+-

（公式9）

 

以获得最大的建设性干扰。最小振幅发生在解构干扰或：

 

VMIN = V+ - V-

（公式10）

 

将等式9和10代入等式8得到

 

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

（公式11）

 

将等式 1 代入等式 11，我们得到：

 

驻波比 = V（1 + |Γ|）/（V（1 - |Γ|） = （1 + |Γ|）/(1 – |Γ|)++

（公式12）

 

等式 12 是本文开头所述的等式 2。

驻波比监测系统

MAX2016为双路对数检波器/控制器，用于监测天线与环行器和衰减器配对时的驻波比/回波损耗。MAX2016输出两个功率检测器之间的差值。

MAX2016与MAX5402数字电位器和MAX1116/MAX1117 ADC相结合，构成完整的VSWR监测系统（图2）。数字电位器利用MAX2016的基准电压输出充当分压器。内部基准电压通常可提供 2mA 电流。该电压设置内部比较器（引脚CSETL）的阈值电压。当输出电压超过阈值（引脚COUTL）时，可以产生报警。MAX1116 ADC需要2.7V至3.6V电源，MAX1117 ADC需要4.5V至5.5V电源。ADC还可以使用MAX2016提供的外部基准电压。ADC与微控制器配对，可以持续监控天线的驻波比。

图2.驻波比监测系统由一个用于实时测量的ADC组成。外部数字电位计可在比较器输出端（COUTL）上实现可配置的报警信号。

总结

回顾一下，本教程将SWR或VSWR描述为测量传输线缺陷和效率的一种方法。驻波比与反射系数有关。较高的比率表示较大的不匹配，而 1：1 的比率表示完全匹配。这种匹配或不匹配源于驻波的最大和最小振幅。SWR与发射能量和反射能量之间的比率有关。MAX2016作为如何创建系统来监测天线VSWR的示例。

审核编辑：郭婷