测量电压驻波比(VSWR)量化传输线的阻抗失配
定义和背景
在rf传输系统中，驻波比(swr)用来衡量rf信号从功率发射源通过传输线，最终送入负载的传输效率。例如，功率放大器通过一段传输线连接到天线。
swr反映了入射波与反射波的比率，swr越高表明传输线效率越低、反射能量越大，可能导致发射机损坏，降低发射效率。由于swr通常用电压比表示，也称为电压驻波比(vswr)。
vswr和系统效率
一个理想系统是从功率源100%地将能量传送到负载，这需要信号源阻抗、传输线及其它连接器的特征阻抗与负载阻抗精确匹配。由于理想的传输过程不存在干扰，信号交流电压在传输线两端保持相同。
而在实际系统中，阻抗失配将会导致部分功率反射到信号源(如同一个回波)。反射引起叠加和相消干扰，从而在不同时间、不同距离在传输线上产生电压波峰、波谷。vswr用于度量这些电压的变化，它是传输线上任何位置的最高电压与最低电压之比。
由于理想系统中电压保持不变，其vswr为1.0，通常表示为1:1。产生反射时，电压发生变化，vswr会增大，例如，使vswr达到1.2或1.2:1。
反射能量
当入射波到达边界，例如，通过无损传输线到达负载时(图1)，一部分能量传送到负载，而另一部分能量则会反射回去。反射系数表示入射波与反射波的比：
γ = v-/v+(eq. 1)
式中，v-是反射波，v+是入射波。vswr与电压反射系数(γ)的关系为：
vswr = (1 + |γ|)/(1 – |γ|)(eq. 2)
图1.传输线电路说明了传输线与负载之间的阻抗失配，在边界产生的反射为γ，入射波为v+、反射波是v-。
可以直接利用swr计测量vswr，矢量网络分析仪(vna)等rf测试仪器可以用来测量输入端口(s11)和输出端口(s22)的反射系数。s11和s22等同于输入口、输出口的反射系数γ，vnas数学模型也可以直接用来计算、表征vswr。
输入和输出端口的回波损耗可以通过反射系数s11或s22计算：
rlin = 20log10|s11| db(eq. 3)
rlout = 20log10|s22| db(eq. 4)
可以通过传输线的特性阻抗和负载阻抗计算反射系数，公式如下
γ = (zl - zo)/(zl + zo)(eq. 5)
式中，zl是负载阻抗，zo是传输线的特性阻抗(图1)。
vswr也可以用zl和zo表示。把式5代入式2，可以得到：
vswr = [1 + |(zl - zo)/(zl + zo)|]/[1 - |(zl - zo)/(zl + zo)|] = (zl + zo + |zl - zo|)/(zl + zo - |zl - zo|)
如果zl > zo，|zl - zo| = zl - zo
则：
vswr = (zl + zo + zl - zo)/(zl + zo - zl + zo) = zl/zo(eq. 6)
如果zl < zo，|zl - zo| = zo - zl
则：
vswr = (zl + zo + zo - zl)/(zl + zo - zo + zl) = zo/zl(eq. 7)
我们注意到上面所提到的vswr是相对于1的比值，例如vswr为1.5:1。vswr有两种特殊情况∞:1和1:1。负载开路时，vswr为∞:1，当负载与传输线特性阻抗完全匹配时，vswr为1:1。
vswr的定义是来自于传输线自身产生的驻波：
vswr = |vmax|/|vmin|(eq. 8)
其中，vmax是传输线上驻波电压的最大值，vmin是传输线上驻波电压的最小值。
最大值由入射波和反射波同向叠加产生：
vmax = v+ + v-(eq. 9)
最小值由入射波和反射波反向叠加产生：
vmin = v+ - v-(eq. 10)
把式9和式10代入式8，可得：
vswr = |vmax|/|vmin| = (v+ + v-)/(v+ - v-)(eq. 11)
把式1代入式11，得到：
vswr = v+(1 + |γ|)/(v+(1 - |γ|) = (1 + |γ|)/(1 – |γ|)(eq. 12)
式12与本文式2相等。
vswr检测系统
max2016为双通道对数检测器/控制器，它与环行器和衰减器配套使用，用于监测天线的vswr/回波损耗。max2016可输出两路功率检测器的差。
max2016与max5402数字电位器和max1116/max1117 adc组成一个完整的vswr监测系统(图2)。数字电位器用作max2016输出参考电压的分压器，内部电压基准可提供2ma典型电流，该电压用于设置内部比较器的门限电压(csetl)。当输出电压高于或低于门限电压(coutl)时，产生报警输出。max1116 adc的工作电压为2.7v至3.6v，max1117 adc的工作电压为4.5v至5.5v。adc也可以利用max2016提供电压基准，adc与微控制器共同监测天线的vswr。
图2. 配套adc用于构建vswr实时监测系统，用外部数字电位器配置比较器输出(coutl)报警门限。
总结
本文介绍了swr或vswr是衡量传输线路缺陷和效率的一种方式。vswr与反射系数相关。比值越高说明失配越严重，而1:1是完全匹配的。匹配或失配取决于驻波的最大和最小幅度。swr是传输能量与反射能量的比值。max2016是用来举例说明如何创建一个系统来监测天线的vswr。
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swr反映了入射波与反射波的比率，swr越高表明传输线效率越低、反射能量越大，可能导致发射机损坏，降低发射效率。由于swr通常用电压比表示，也称为电压驻波比(vswr)。
vswr和系统效率
一个理想系统是从功率源100%地将能量传送到负载，这需要信号源阻抗、传输线及其它连接器的特征阻抗与负载阻抗精确匹配。由于理想的传输过程不存在干扰，信号交流电压在传输线两端保持相同。
而在实际系统中，阻抗失配将会导致部分功率反射到信号源(如同一个回波)。反射引起叠加和相消干扰，从而在不同时间、不同距离在传输线上产生电压波峰、波谷。vswr用于度量这些电压的变化，它是传输线上任何位置的最高电压与最低电压之比。
由于理想系统中电压保持不变，其vswr为1.0，通常表示为1:1。产生反射时，电压发生变化，vswr会增大，例如，使vswr达到1.2或1.2:1。
反射能量
当入射波到达边界，例如，通过无损传输线到达负载时(图1)，一部分能量传送到负载，而另一部分能量则会反射回去。反射系数表示入射波与反射波的比：
γ = v-/v+(eq. 1)
式中，v-是反射波，v+是入射波。vswr与电压反射系数(γ)的关系为：
vswr = (1 + |γ|)/(1 – |γ|)(eq. 2)
图1.传输线电路说明了传输线与负载之间的阻抗失配，在边界产生的反射为γ，入射波为v+、反射波是v-。
可以直接利用swr计测量vswr，矢量网络分析仪(vna)等rf测试仪器可以用来测量输入端口(s11)和输出端口(s22)的反射系数。s11和s22等同于输入口、输出口的反射系数γ，vnas数学模型也可以直接用来计算、表征vswr。
输入和输出端口的回波损耗可以通过反射系数s11或s22计算：
rlin = 20log10|s11| db(eq. 3)
rlout = 20log10|s22| db(eq. 4)
可以通过传输线的特性阻抗和负载阻抗计算反射系数，公式如下
γ = (zl - zo)/(zl + zo)(eq. 5)
式中，zl是负载阻抗，zo是传输线的特性阻抗(图1)。
vswr也可以用zl和zo表示。把式5代入式2，可以得到：
vswr = [1 + |(zl - zo)/(zl + zo)|]/[1 - |(zl - zo)/(zl + zo)|] = (zl + zo + |zl - zo|)/(zl + zo - |zl - zo|)
如果zl > zo，|zl - zo| = zl - zo
则：
vswr = (zl + zo + zl - zo)/(zl + zo - zl + zo) = zl/zo(eq. 6)
如果zl < zo，|zl - zo| = zo - zl
则：
vswr = (zl + zo + zo - zl)/(zl + zo - zo + zl) = zo/zl(eq. 7)
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vswr = |vmax|/|vmin|(eq. 8)
其中，vmax是传输线上驻波电压的最大值，vmin是传输线上驻波电压的最小值。
最大值由入射波和反射波同向叠加产生：
vmax = v+ + v-(eq. 9)
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