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
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