什么是电压驻波比和回波损耗

电压驻波比，英文称为 voltage standing wave ratio，简称VSWR，是射频领域中一个非常重要的概念。

随便拿一个射频器件来，其中肯定有一个驻波比的指标。

那为什么有驻波比这个指标呢？

当一个入射波，进入传输线进行传输时，如果传输线的负载阻抗不与传输线的特征阻抗不匹配，就会产生反射波。

入射波和反射波是行波，波随着时间的增长，向传输线的一端移动。

但是入射波和反射波叠加，会在传输线上形成驻波，驻波随着时间的增长，驻波无法行进，所以无法传输能量。

由传输线的电报方程，可以知道，传输线上的电压和电流表达式为：

因为在z=0处的反射系数为：

所以：

V(z)对应的幅度随时间的变化，就是传输线上的驻波随时间的变化。

而电压驻波比，即是Vmax和Vmin的比值。

负载阻抗为短路

当负载阻抗为短路时，ZL=0，终端反射系数为-1，电路中的驻波是这样的。此时驻波比为无穷大。

负载阻抗为开路

当负载阻抗为开路时，ZL=∞，终端反射系数为1，电路中的驻波是这样的。此时驻波比还是无穷大。

负载阻抗等于特征阻抗

当负载阻抗为特征阻抗时，ZL=50 ohm，终端反射系数为0，电路中的驻波是这样的。此时驻波比为1。

负载阻抗稍稍不匹配

当负载阻抗稍稍不匹配时，比如ZL=60ohm，电路中的驻波比是这样的。

所以，使用驻波比这个指标，是因为它反应了传输线上波的反射情况。

除了驻波比之外，还有一个和它等价的指标，那就是回波损耗。

回波损耗的定义为反射系数的log值：

也就是说，回波损耗是入射波功率与反射波功率的dB差值。

比如说，入射波的功率为50dBm，反射波的功率为10dBm，那么回波损耗就是40dB。

因为有回波损耗，所以在传输过程中，则会有由于该回波损耗产生的失配损耗(Mismatch loss)。

而失配损耗的定义为：

所以，反射系数，SWR，回波损耗，以及失配损耗有一一对应的关系。

常规情况下，会看到驻波比的指标<2，即对应的回波损耗为10dB左右，失配损耗为0.46dB左右。

附上matlab代码：

 

clc;
clear all;
close all;


omega=2*pi;%设置角频率
t=0;%设置时间变量初始值
z=-30:0.01:0;%传输距离
k=1;%波数
Z0=50;
V0_pos=1;




Zload=0;%0--short;10000-open;50--matched;60-a few unmatched
V0_neg=(Zload-Z0)/(Zload+Z0)*V0_pos;
v=VideoWriter('行波形成.avi');
v.FrameRate=10;
open(v);


for i=1:100
    y1=V0_pos*cos(omega*t-k*z);
    y2=V0_neg*cos(omega*t+k*z);
    y=y1+y2;
    figure(1);
    p=plot(z,y1,'b',z,y2,'g');%
    lgd=legend('入射波','反射波');%
    p(1).LineWidth=2;
    p(2).LineWidth=2;
    
    lgd.FontSize=16;
    axis([-30 0 -3 3]);
    mov(i)=getframe(gcf);%捕捉当前图像作为一帧
    writeVideo(v,mov(i));
    pause(0.05);
    t=t+0.05;
end;


close(v);


Zload=0;%0--short;10000-open;50--matched;60-a few unmatched
V0_neg=(Zload-Z0)/(Zload+Z0)*V0_pos;
v=VideoWriter('负载短路.avi');
v.FrameRate=10;
open(v);


for i=1:100
    y1=V0_pos*cos(omega*t-k*z);
    y2=V0_neg*cos(omega*t+k*z);
    y=y1+y2;
    figure(2);
    p=plot(z,y1,'b',z,y2,'g',z,y,'r');%
    lgd=legend('入射波','反射波','驻波');%
    p(1).LineWidth=2;
    p(2).LineWidth=2;
    p(3).LineWidth=2;
    lgd.FontSize=16;
    axis([-30 0 -3 3]);
    mov(i)=getframe(gcf);%捕捉当前图像作为一帧
    writeVideo(v,mov(i));
    pause(0.05);
    t=t+0.05;
end;


close(v);


Zload=10000;%0--short;10000-open;50--matched;60-a few unmatched
V0_neg=(Zload-Z0)/(Zload+Z0)*V0_pos;
v=VideoWriter('负载开路.avi');
v.FrameRate=10;
open(v);


for i=1:100
    y1=V0_pos*cos(omega*t-k*z);
    y2=V0_neg*cos(omega*t+k*z);
    y=y1+y2;
    figure(3);
    p=plot(z,y1,'b',z,y2,'g',z,y,'r');%
    lgd=legend('入射波','反射波','驻波');%
    p(1).LineWidth=2;
    p(2).LineWidth=2;
    p(3).LineWidth=2;
    lgd.FontSize=16;
    axis([-30 0 -3 3]);
    mov(i)=getframe(gcf);%捕捉当前图像作为一帧
    writeVideo(v,mov(i));
    pause(0.05);
    t=t+0.05;
end;


close(v);


Zload=50;%0--short;10000-open;50--matched;60-a few unmatched
V0_neg=(Zload-Z0)/(Zload+Z0)*V0_pos;
v=VideoWriter('负载匹配.avi');
v.FrameRate=10;
open(v);


for i=1:100
    y1=V0_pos*cos(omega*t-k*z);
    y2=V0_neg*cos(omega*t+k*z);
    y=y1+y2;
    figure(4);
    p=plot(z,y1,'b',z,y2,'g',z,y,'r');%
    lgd=legend('入射波','反射波','驻波');%
    p(1).LineWidth=2;
    p(2).LineWidth=2;
    p(3).LineWidth=2;
    lgd.FontSize=16;
    axis([-30 0 -3 3]);
    mov(i)=getframe(gcf);%捕捉当前图像作为一帧
    writeVideo(v,mov(i));
    pause(0.05);
    t=t+0.05;
end;


close(v);


Zload=60;%0--short;10000-open;50--matched;60-a few unmatched
V0_neg=(Zload-Z0)/(Zload+Z0)*V0_pos;
v=VideoWriter('负载失配.avi');
v.FrameRate=10;
open(v);


for i=1:100
    y1=V0_pos*cos(omega*t-k*z);
    y2=V0_neg*cos(omega*t+k*z);
    y=y1+y2;
    figure(5);
    p=plot(z,y1,'b',z,y2,'g',z,y,'r');%
    lgd=legend('入射波','反射波','驻波');%
    p(1).LineWidth=2;
    p(2).LineWidth=2;
    p(3).LineWidth=2;
    lgd.FontSize=16;
    axis([-30 0 -3 3]);
    mov(i)=getframe(gcf);%捕捉当前图像作为一帧
    writeVideo(v,mov(i));
    pause(0.05);
    t=t+0.05;
end;


close(v);

 

　　审核编辑：汤梓红