測量電壓駐波比量化傳輸線的阻抗失配

定義和背景

　　在RF傳輸系統中，駐波比（SWR）用來衡量RF信號從功率發射源通過傳輸線，最終送入負載的傳輸效率。例如，功率放大器通過一段傳輸線連接到天線。

　　SWR反映了入射波與反射波的比率，SWR越高表明傳輸線效率越低、反射能量越大，可能導致發射機損壞，降低發射效率。由于SWR通常用電壓比表示，也稱為電壓駐波比（VSWR）。

　　VSWR和系統效率

　　一個理想系統是從功率源100%地將能量傳送到負載，這需要信號源阻抗、傳輸線及其它連接器的特征阻抗與負載阻抗精確匹配。由于理想的傳輸過程不存在干擾，信號交流電壓在傳輸線兩端保持相同。

　　而在實際系統中，阻抗失配將會導致部分功率反射到信號源（如同一個回波）。反射引起疊加和相消干擾，從而在不同時間、不同距離在傳輸線上產生電壓波峰、波谷。VSWR用于度量這些電壓的變化，它是傳輸線上任何位置的最高電壓與最低電壓之比。

　　由于理想系統中電壓保持不變，其VSWR為1.0，通常表示為1:1。產生反射時，電壓發生變化，VSWR會增大，例如，使VSWR達到1.2或1.2:1。

　　反射能量

　　當入射波到達邊界，例如，通過無損傳輸線到達負載時（圖1），一部分能量傳送到負載，而另一部分能量則會反射回去。反射系數表示入射波與反射波的比：

　　Γ = V-/V+（式1）

　　式中，V-是反射波，V+是入射波。VSWR與電壓反射系數（Γ）的關系為：

　　VSWR = （1 + |Γ|）/（1 – |Γ|）（式2）

　　圖1. 傳輸線電路說明了傳輸線與負載之間的阻抗失配，
在邊界產生的反射為Γ，入射波為V+、反射波是V-。

　　可以直接利用SWR計測量VSWR，矢量網絡分析儀（VNA）等RF測試儀器可以用來測量輸入端口（S11）和輸出端口（S22）的反射系數。S11和S22等同于輸入口、輸出口的反射系數Γ，VNAs數學模型也可以直接用來計算、表征VSWR。

　　輸入和輸出端口的回波損耗可以通過反射系數S11或S22計算：

　　RLIN = 20log10|S11| dB（式3）

　　RLOUT = 20log10|S22| dB（式4）

　　可以通過傳輸線的特性阻抗和負載阻抗計算反射系數，公式如下：