一种测量传输线缺陷和效率的方法：电压驻波比（VSWR）

射频（RF）电传输线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。本教程定义了VSWR，并说明了其计算方法。最后，显示了天线VSWR监视系统。

定义和背景
为了使传输线具有最高的质量，必须进行阻抗匹配。这样可以确保通过线路传输的功率以相同的强度到达目的地。但是，在实际情况下，传输线并没有理想的完美。衡量生产线效率的事情之一是通过其VSWR。

在射频（RF）电传输系统中，驻波比（SWR）是衡量RF电源从电源通过传输线传输到负载的效率的度量。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是透射波与反射波之比。较高的SWR表示传输线效率和反射能量较差，这可能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）。

VSWR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。这需要在源阻抗（即传输线及其所有连接器的特征阻抗）与负载的阻抗之间进行精确匹配。信号的交流电压从一端到另一端都是相同的，因为它通过时不会受到干扰。

但是，在实际系统中，阻抗不匹配会导致一些功率被反射回源（如回声）。反射会造成相长和相消干扰，从而导致电压沿线路的不同时间和不同距离出现峰值和谷值。VSWR测量这些电压变化。它是传输线上任何地方的最高电压与最低电压之比。

由于电压在理想系统中不会发生变化，因此其VSWR为1.0或通常以1：1的比率表示。发生反射时，电压会发生变化，VSWR会更高，例如1.2或1.2：1。

反射能量
当传输波碰到边界（例如无损传输线和负载之间的边界）时（图1），一些能量将被传输到负载，而某些能量将被反射。反射系数将入射波和反射波关联为：

Γ= V- / V +（式1）

其中V-是反射波，V +是入射波。VSWR通过以下方式与电压反射系数（Γ）的大小有关：

VSWR =（1 + |Γ|）/（1 – |Γ|）（等式2）

传输线电路，说明传输线和负载之间的阻抗失配边界。反射发生在由Î指定的边界处。入射波为V +，反射波为V-。

VSWR可以直接用SWR表测量。可以使用诸如矢量网络分析仪（VNA）之类的RF测试仪器来测量输入端口（S11）和输出端口（S22）的反射系数。S11和S22分别等效于输入和输出端口上的Γ。具有数学模式的VNA还可以直接计算并显示最终的VSWR值。

可以根据反射系数S11或S22计算输入和输出端口的回波损耗，如下所示：

RLIN = 20log10 | S11 |dB（等式3）

RLOUT = 20log10 | S22 |dB（等式4）

反射系数由传输线的特征阻抗和负载阻抗计算得出，如下所示：

Γ=（ZL – ZO）/（ZL + ZO）（等式5）

其中ZL是负载阻抗，ZO是传输线的特征阻抗（图1）。

VSWR也可以用ZL和ZO表示。将公式5代入公式2，我们得到：

VSWR = [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

所以：

VSWR =（ZL + ZO + ZL – ZO）/（ZL + ZO – ZL + ZO）= ZL / ZO。（式6）

对于ZL

所以：

VSWR =（ZL + ZO + ZO – ZL）/（ZL + ZO – ZO + ZL）= ZO / ZL。（式7）

上面我们指出，VSWR是相对于1的比率形式的规格，例如1.5：1。VSWR有两种特殊情况，∞：1和1：1。当负载开路时，无穷比与无穷大之比发生。当负载与传输线特性阻抗完全匹配时，比率为1：1。

VSWR是根据在传输线上本身产生的驻波定义的：

VSWR = | VMAX | / | VMIN |（式8）

其中VMAX是驻波的最大振幅，而VMIN是驻波的最小振幅。对于两个叠加波，最大值在入射波和反射波之间产生相长干涉时发生。因此：

VMAX = V + + V-（式9）

以获得最大的建设性干扰。最小振幅发生在相消干涉下，或者：

VMIN = V + – V-（式10）

将方程式9和10代入方程式8可得出：

VSWR = | VMAX | / | VMIN |=（V + + V-）/（V + – V-）（式11）

将公式1代入公式11，我们得到：

VSWR = V +（1 + |Γ|）/（V +（1-|Γ|）=（1 + |Γ|）/（1-|Γ|）（等式12）

公式12是本文开头所述的公式2。

VSWR监测系统

MAX2016是双对数检波器/控制器，当与循环器和衰减器配对时，可用于监测天线的VSWR /回波损耗。MAX2016输出两个功率检测器之间的差。

VSWR监视系统由一个用于实时测量的ADC组成。外部数字电位器可在比较器的输出（COUTL）上启用可配置的警报信号。

MAX2016与MAX5402数字电位器和MAX1116 / MAX1117 ADC相结合，构成一个完整的VSWR监视系统（图2）。数字电位器通过使用MAX2016的参考电压输出作为分压器。内部基准电压通常可以提供2mA的电流。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，会产生警报。MAX1116 ADC需要2.7V至3.6V电源，而MAX1117 ADC需要4.5V至5.5V。ADC还可以使用MAX2016提供的外部基准电压。与微控制器配对的ADC允许对天线的VSWR进行持续监控。

总结

本教程将SWR或VSWR描述为一种测量传输线缺陷和效率的方法。VSWR与反射系数有关。较高的比率表示较大的不匹配，而1：1的比率则完全匹配。这种匹配或不匹配是由驻波的最大和最小幅度引起的。SWR与透射能量和反射能量之比有关。

编辑：hfy