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RF传输系统效率的一种衡量方式

/?? 2013年07月19日 ?? 收藏0
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)

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。

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第1页:背景介绍

第2页:VSWR检测系统



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