射頻（RF）電傳輸線中的阻抗不匹配會導致功率損耗和反射能量。電壓駐波比（VSWR）是一種測量傳輸線缺陷的方法。本教程定義了VSWR，并說明了其計算方法。最后，顯示了天線VSWR監視系統。

定義和背景

為了使傳輸線具有最高的質量，必須進行阻抗匹配。這樣可以確保通過線路傳輸的功率以相同的強度到達目的地。但是，在實際情況下，傳輸線并沒有理想的完美。衡量生產線效率的事情之一是通過其VSWR。

在射頻（RF）電傳輸系統中，駐波比（SWR）是衡量RF電源從電源通過傳輸線傳輸到負載的效率的度量。一個常見的例子是通過傳輸線連接到天線的功率放大器。

因此，SWR是透射波與反射波之比。較高的SWR表示傳輸線效率和反射能量較差，這可能會損壞發射器并降低發射器效率。由于SWR通常是指電壓比，因此通常稱為電壓駐波比（VSWR）。

VSWR和系統效率

在理想的系統中，100％的能量從功率級傳輸到負載。這需要在源阻抗（即傳輸線及其所有連接器的特征阻抗）與負載的阻抗之間進行精確匹配。信號的交流電壓從一端到另一端都是相同的，因為它通過時不會受到干擾。

但是，在實際系統中，阻抗不匹配會導致一些功率被反射回源（如回聲）。反射會造成相長和相消干擾，從而導致電壓沿線路的不同時間和不同距離出現峰值和谷值。VSWR測量這些電壓變化。它是傳輸線上任何地方的最高電壓與最低電壓之比。

由于電壓在理想系統中不會發生變化，因此其VSWR為1.0或通常以1：1的比率表示。發生反射時，電壓會發生變化，VSWR會更高，例如1.2或1.2：1。

反射能量

當傳輸波碰到邊界（例如無損傳輸線和負載之間的邊界）時（圖1），一些能量將被傳輸到負載，而某些能量將被反射。反射系數將入射波和反射波關聯為：

Γ= V- / V +（式1）

其中V-是反射波，V +是入射波。VSWR通過以下方式與電壓反射系數（Γ）的大小有關：

VSWR =（1 + |Γ|）/（1 – |Γ|）（等式2）

傳輸線電路，說明傳輸線和負載之間的阻抗失配邊界。反射發生在由?指定的邊界處。入射波為V +，反射波為V-。

VSWR可以直接用SWR表測量?？梢允褂弥T如矢量網絡分析儀（VNA）之類的RF測試儀器來測量輸入端口（S11）和輸出端口（S22）的反射系數。S11和S22分別等效于輸入和輸出端口上的Γ。具有數學模式的VNA還可以直接計算并顯示最終的VSWR值。

可以根據反射系數S11或S22計算輸入和輸出端口的回波損耗，如下所示：

RLIN = 20log10 | S11 |dB（等式3）

RLOUT = 20log10 | S22 |dB（等式4）

反射系數由傳輸線的特征阻抗和負載阻抗計算得出，如下所示：

Γ=（ZL – ZO）/（ZL + ZO）（等式5）

其中ZL是負載阻抗，ZO是傳輸線的特征阻抗（圖1）。

VSWR也可以用ZL和ZO表示。將公式5代入公式2，我們得到：

VSWR = [1 + |（ZL – ZO）/（ZL + ZO）|] / [1 – |（ZL – ZO）/（ZL + ZO）|] =（ZL + ZO + | ZL – ZO |）/ （ZL + ZO – | ZL – ZO |）

對于ZL> ZO，| ZL – ZO |= ZL – ZO

所以：

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

對于ZL

所以：

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

上面我們指出，VSWR是相對于1的比率形式的規格，例如1.5：1。VSWR有兩種特殊情況，∞：1和1：1。當負載開路時，無窮比與無窮大之比發生。當負載與傳輸線特性阻抗完全匹配時，比率為1：1。

VSWR由傳輸線上本身產生的駐波定義為：

VSWR = | VMAX | / | VMIN |（式8）

其中VMAX是駐波的最大振幅，而VMIN是駐波的最小振幅。對于兩個疊加波，最大值在入射波和反射波之間產生相長干涉時發生。因此：

VMAX = V + + V-（式9）

以獲得最大的建設性干擾。最小振幅發生在相消干涉下，或者：

VMIN = V + – V-（式10）

將方程式9和10代入方程式8可得出：

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

將公式1代入公式11，我們得到：

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

公式12是本文開頭所述的公式2。

VSWR監測系統

MAX2016是雙對數檢波器/控制器，當與循環器和衰減器配合使用時，可用于監測天線的VSWR /回波損耗。MAX2016輸出兩個功率檢測器之間的差。

VSWR監視系統由一個用于實時測量的ADC組成。外部數字電位器可在比較器的輸出（COUTL）上啟用可配置的警報信號。

MAX2016與MAX5402數字電位器和MAX1116 / MAX1117 ADC相結合，構成一個完整的VSWR監視系統（圖2）。數字電位器通過使用MAX2016的參考電壓輸出作為分壓器。內部基準電壓通常可以提供2mA的電流。該電壓設置內部比較器（引腳CSETL）的閾值電壓。當輸出電壓超過閾值（引腳COUTL）時，會產生警報。MAX1116 ADC需要2.7V至3.6V電源，而MAX1117 ADC需要4.5V至5.5V。ADC還可以使用MAX2016提供的外部基準電壓。與微控制器配對的ADC允許對天線的VSWR進行持續監控。

總結

在回顧中，本教程將SWR或VSWR描述為一種測量傳輸線缺陷和效率的方法。VSWR與反射系數有關。較高的比率表示較大的不匹配，而1：1的比率則完全匹配。這種匹配或不匹配是由駐波的最大和最小幅度引起的。SWR與透射能量和反射能量之比有關。以MAX2016為例，說明如何創建一個系統來監控天線VSWR。

編輯：hfy