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测量电压驻波比量化传输线的阻抗失配

发布时间:2020-07-21 17:55:37 阅读: 来源:电子表厂家

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:

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