测量电压驻波比量化传输线的阻抗失配

2013-09-28 10:50:13来源: 互联网 关键字:测量电压  驻波比  传输线  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:

  Γ = (ZL - ZO)/(ZL + ZO)(式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.(式6)

  如果ZL < ZO, |ZL - ZO| = ZO - ZL

  则:

  VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL)/(ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO/ZL.(式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|(式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。因此:

  VMAX = V+ + V-(式9)

  最小值由入射波和反射波反向叠加产生:

  VMIN = V+ - V-(式10)

  把式9和式10代入式8,可得:

  VSWR = |VMAX|/|VMIN| = (V+ + V-)/(V+ - V-)(式11)

  把式1代入式11,得到:

  VSWR = V+(1 + |Γ|)/(V+(1 - |Γ|) = (1 + |Γ|)/(1 – |Γ|)(式12)

  式12与本文式2相等。

  VSWR检测系统

  MAX2016为双通道对数检测器/控制器,它与环行器和衰减器配套使用,用于监测天线的VSWR/回波损耗。MAX2016可输出两路功率检测器的差。

  MAX2016与MAX5402数字电位器和MAX1116/MAX1117 ADC组成一个完整的VSWR监测系统(图2)。数字电位器用作MAX2016输出参考电压的分压器,内部电压基准可提供2mA典型电流,该电压用于设置内部比较器的门限电压(CSETL)。当输出电压高于或低于门限电压(COUTL)时,产生报警输出。MAX1116 ADC的工作电压为2.7V至3.6V,MAX1117 ADC的工作电压为4.5V至5.5V。ADC也可以利用MAX2016提供电压基准,ADC与微控制器共同监测天线的VSWR。

  图2. 配套ADC用于构建VSWR实时监测系统,
用外部数字电位器配置比较器输出(COUTL)报警门限。

  总结

  本指南了SWR或VSWR是衡量传输线路缺陷和效率的一种方式。VSWR与反射系数相关。比值越高说明失配越严重,而1:1是完全匹配的。匹配或失配取决于驻波的最大和最小幅度。SWR是传输能量与反射能量的比值。MAX2016是用来举例说明如何创建一个系统来监测天线的VSWR。

关键字:测量电压  驻波比  传输线  阻抗失配

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0928/article_19524.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:浅谈智能电网的安全设计
下一篇:写给使用FPGA的数字工程师:如何简化FPGA供电

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利
推荐阅读
全部
测量电压
驻波比
传输线
阻抗失配

小广播

独家专题更多

2017东芝PCIM在线展会
2017东芝PCIM在线展会
TI车载信息娱乐系统的音视频解决方案
TI车载信息娱乐系统的音视频解决方案
汇总了TI汽车信息娱乐系统方案、优质音频解决方案、汽车娱乐系统和仪表盘参考设计相关的文档、视频等资源
迎接创新的黄金时代 无创想,不奇迹
迎接创新的黄金时代 无创想,不奇迹
​TE工程师帮助将不可能变成可能,通过技术突破,使世界更加清洁、安全和美好。
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2017 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved