实验四 电压驻波比测量

实验四电压驻波比测量射频

（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。VSWR(VoltageStandingWaveRatio)代表电压驻波比。要完全理解这个术语，需要知道什么是“驻波”。假设两个波长相同的波以相反的方向传播，如下所示。一个波表示为蓝线，它朝着正确的方向旋转。另一个波用绿线表示，它在左方向旋转。这两个波会被求和，求和后的波用红线表示。这种叠加波只随时间变化幅度，而不随相位变化。简单地说，振幅为零的节点位置永远不会改变。因为节点的位置没有改变，所以红波看起来好像停留在相同的位置，意思是“它站在那里”。这就是为什么红波被称为“驻波”。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/MAX1117ADC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。MAX1116ADC需要2.7V至3.6V电源，MAX1117ADC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。

什么是电压驻波比（VSWR）?驻波比：驻波比全称为电压驻波比，又名VSWR和SWR，为英文VoltageStandingWaveRatio的简写。指驻波波腹电压与波谷电压幅度之比，又称为驻波系数、驻波比。驻波比等于1时，表示馈线和天线的阻抗完全匹配，此时高频能量全部被天线辐射出去，没有能量的反射损耗；驻波比为无穷大时，表示全反射，能量完全没有辐射出去。在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Vmax，形成波腹；在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Vmin，形成波谷。其它各点的振幅值则介于波腹与波谷之间。这种合成波称为行驻波。驻波比是驻波波腹处的电压幅值Vmax与波谷处的电压幅值Vmin之比。射频系统阻抗要匹配，特别要注意使电压驻波比达到一定要求，因为在宽带运用时频率范围很广，驻波比会随着频率而变，应使阻抗在宽范围内尽量匹配。测试说明测试时先对矢网进行校准，要根据设备的增益和功率来设置矢网的输出信号大小，在进行设备上电时先将测试端口的功放输出断开，测得的带内最高值就是输入电压驻波比。注意事项：要注意仪器选择的测试端口和功率电平，在设备上电时重新检查一次；测试链路时要将测试端口所对应的功放输出端断开，以免信号反射损坏仪器；GSM机顶功率及驻波比的正常值是3.0以内通常为1.3-1.5。天线驻波比的意义天线驻波比的意义表示天馈线与基站（收发信机）匹配程度的指标。驻波比的定义：VSWR=Umax/UminUmax——馈线上波腹电压；Umin——馈线上波谷电压。驻波比的产生，是由于入射波能量传输到天线输入端B未被全部吸收（辐射）、产生反射波，迭加而形成的。VSWR越大，反射越大，匹配越差那么，驻波比差，到底有哪些坏处？在工程上可以接受的驻波比是多少？一个适当的驻波比指标是要在损失能量的数量与制造成本之间进行折中权衡的。⑴VSWR>1，说明输进天线的功率有一部分被反射回来，从而降低了天线的辐射功率；⑵增大了馈线的损耗。7/8"电缆损耗4dB/100m，是在VSWR=1（全匹配）情况下测的；有了反射功率，就增大了能量损耗，从而降低了馈线向天线的输入功率；⑶在馈线输入端A，失配严重时，发射机T的输出功率达不到设计额定值。但是，现代发射机输出功率允许在一定失配情况下如（VSWR<1.7或2.0）达到额定功率。驻波比与反射功率的关系如下:

可见，不一定追求1.1以下的驻波比，一般1.5一下也足够了，96%的都发射出去了。驻波比反射率

1.00.00%

1.10.