测量电压驻波比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+（式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|）（式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（式3）

　　RLOUT = 20log10|S22| dB（式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：