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移动通信中的驻波比详解

作者:时间:2018-08-06来源:网络收藏

驻波比(VSWR)用来检测天馈线系统、射频接头以及所有的连接到基站的射频设备的工作状态。VSWR过高会导致掉话、高误码率,而且由此引入的发射/接受功率的衰减会导致小区覆盖半径缩小。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201808/385409.htm

只有负载阻抗与信号源阻抗完全匹配,才能最大化地把信号从信号源传送到负载。对于基站系统,信号源就是发射机,负载就是天馈线子系统,天馈线子系统包括天线、馈线、射频连接头以及避雷器等附属设备。如果负载和信号源不能做到完全匹配,部分信号就会反射回信号源,这是我们所不希望的,这时就会产生前向波和反向波,这两个信号组合在一起就形成了驻波。驻波比(VSWR)是指驻波的最大电平和最小电平的比值,它的大小从1:1(完全匹配)到∞。


图 由于阻抗不完全匹配导致的反向波的产生


图 波到介质介面时 部分反射

我们可以通过反射系数Γ或者回波损耗RL计算出VSWR,在这里我们列出了反射系数Γ 、回波损耗RL以及VSWR的计算公式:


其中,


可接受的VSWR范围

由于我们无法做到100%的负载和信号源阻抗匹配,总会有部分信号不可避免地被天线反射回来,所以需要确定一个VSWR范围作为衡量可接受的VSWR的标准。通常我们把1.13:1 – 1.38:1 作为VSWR衡量标准。另外,回波损耗也可以作为一种衡量标准,前向功率与反向功率的比值就是回波损耗,如果已知40dBm的前向功率和20dBm的反向功率,那么我们可以计算出回波损耗是20dB,如果已知基站的输出功率是20W、回波损耗是16dB,那么我们可以计算出反射功率是0.5W。通常我们把16 –24dB作为回波损耗的衡量标准。

当发射机到天线的发射通路上出现严重故障,会产生很低的回波损耗,比如射频接头松动、天线故障、馈线损坏、避雷器击穿以及滤波器/耦合器损坏,等等。这种严重的VSWR故障将会导致掉话、误码率升高以及小区覆盖半径变小等故障。

从功率的角度看驻波比

若以功率的观点来看,驻波比可以表示为:

SWR = (√Po + √Pr)/(√Po - √Pr)

Po:进入天线系统的功率

Pr:从天线系统反射回来的功率

经过运算SWR 与 Pr/Po (反射功率百分比)的关系如下:

Pr/Po = [(SWR-1)/(SWR+1)]^2

其实驻波比测试仪基本上就是功率表,它可以量测输入功率及反射功率

什么叫驻波?

两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播时互相叠加而成的波,称为驻波。

特点:波谷和波峰保持不动,波形不向前传播,仅在平衡位置振动;波形在空间不移动。

一般在传输线上的电磁波由行波(向前传输的波)和反射波构成,驻波比就是反映波停留的状态,如驻波比越大,波就越停留在原地,如果驻波比无穷大,就代表波是停留在原地。相反地,驻波比的倒数可以定义为行波系数,它表示波行进的状态,行波系数越大,代表波越向前行进。


图 驻波和行波

什么叫匹配?

移动系统中,发射机、天线、馈线、射频连接头以及避雷器等附属设备需要用电缆和接插件把这些设备部件连接起来,只有正确连接,方可保证设备运转正常。在一般情况下,人们往往都更注重天线的方向、仰角、极化、频率的选取等步骤,安装调试步骤中往往忽视设备之间的连接,这些设备部件连接时从始至终都应遵循“匹配”这一条原则。

“匹配”,从功率的角度出发意味着最大的输出功率,即在供电电路中使负载阻抗等于电源内阻抗的共轭值(电阻相等,电抗大小相等,符号相反),称作“匹配”。匹配的目的在于得到最大的输出功率。 从传输线的角度出发意味着无损耗传输,即在应用于传输线时,使负载阻抗等于传输线的特性阻抗,称作“匹配”。匹配的目的是消除负载引起的反射,避免发生驻波,使负载获取最大功率。

在移动系统中,诸多的地方需要匹配。接收天线必须同发射天线有相同的极化,且旋向相同,以实现极化匹配接收全部能量。凡是馈线连接的各个部位及各部件间的连接都需要达到匹配。在移动系统中只要有不匹配的地方出现,使信号在部件中间、馈线间产生反射,从而使信号质量下降、噪声增加。因此对安装调试使用者而言,需要规规矩矩的做好每一步,确保系统匹配。

天线—驻波比

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。

天线中的驻波比的定义:

VSWR=Umax/Umin

Umax--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。

⑴ VSWR》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

1.0 0.00%

1.1 0.23%

1.2 0.83%

1.3 1.70%

1.5 4.00%

1.7 6.72%

1.8 8.16%

2.0 11.11%

2.5 18.37%

3.0 25.00%

4.0 36.00%

5.0 44.44%

7.0 56.25%

10 66.94%

15 76.56%

20 81.86%



关键词: 驻波比移动 通信

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