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什么是VSWR?如何测量VSWR?

Date:2021/3/12 14:00:43 Hits:


“天线理论中的驻波比代表电压驻波比,也称为驻波比(SWR)。驻波比是对馈电线上驻波电平的一种测量。RF工程师知道,在研究馈电线/传输线时,这是一个非常重要的问题是驻波,驻波表示负载不接受并沿着传输线或馈线反射回来的功率,而驻波比是反射系数的函数,反射系数描述了天线反射的功率。 -FMUSER“


注意: 虽然驻波和VSWR非常重要,但VSWR理论和计算通常可以掩盖对实际情况的看法。 幸运的是,有可能获得对该主题的良好观点,而无需深入研究VSWR理论。



照顾!


内容

1. 什么是VSWR(电压驻波比)?

2. 什么是SWR(驻波基础知识)?

3. SWR重要参数指标

4. VSWR计算器:如何计算VSWR?

5. 如何测量驻波比

6. 经常问问题

7. 十大最佳免费在线 VSWR计算器



1.什么是VSWR(电压驻波比)


1)VSWR(电压驻波比)的定义

电压驻波比(VSWR)定义为 无线电频率 (RF)电气传输系统。 有时VSWR也发音为“ viswar”。 VSWR是衡量RF电源从电源通过传输线传输到负载的效率的度量。 一个常见的例子是 功率放大器 通过天线连接到天线 传输线。 VSWR被用作所有传输RF的效率指标,包括传输线,电缆,甚至空中信号。 


阻抗不匹配会导致沿传输线的驻波,SWR定义为在 (最大)到沿该线的节点处的振幅(最小)。



VSWR的定义为所有 计算和公式.

电压驻波比VSWR定义为无损耗线上的最大电压与最小电压之比。


得到的比率通常表示为比率,例如2:1,5:1等。完美匹配是1:1和完全不匹配,即短路或开路是∞:1。


实际上,任何馈线或传输线上都会有损耗。 为了测量VSWR,在系统上的那个点上检测到正向和反向功率,并将其转换为VSWR的数字。 


通过这种方式,可以在特定点测量VSWR,并且无需沿着线路长度确定最大电压和最小电压。


也可以参考: 什么是AM和FM之间的区别?


让我们快速观看有关VSWR的视频! (来源:RF elements sro)





2)VSWR的主要功能

在应用中,该图描述了天线与天线所连接的无线电或传输线的阻抗匹配程度。 在连接的线路中,阻抗不匹配会引起反射,这听起来像是回弹并向错误的方向前进。 反向波的结果是驻波。 这降低了天线接收并可以用于广播的功率。 它甚至可以烧毁 发射机


VSWR被广泛用于各种应用中,例如VSWR 天线,驻波比 电信,微波中的VSWR,射频中的VSWR等。以下是一些主要应用,并进行了说明:


VSWR的应用 VSWR的主要功能 
发射天线
电压驻波比(VSWR)表示 天线 以及连接到它的馈线。 这也称为驻波比(SWR)。 VSWR的值范围是1到∞。 低于2的VSWR值被认为适合大多数天线应用。 天线可被描述为具有“良好匹配”。 因此,当有人说天线匹配不良时,通常意味着对于感兴趣的频率,VSWR值超过2。
电信 在电信中,驻波比(SWR)是电传输线中波腹处的部分驻波振幅(最大值)与相邻节点处的振幅(最小值)的比值。 
微波
与微波传输线和电路相关的常见性能指标是VSWR,反射系数和 回波损耗,以及传输系数和插入损耗。 这些都可以使用散射参数来表示,散射参数通常称为S参数。
RF 电压驻波比(VSWR)定义为射频(RF)电传输中透射和反射电压驻波之间的比率 系统。 它衡量从电源通过传输线向负载传输射频功率的效率。

也可以参考:如何自己测量AM收音机上的SWR?

这是FMUSER技术人员Jimmy提供的基本的简化RF知识列表,您可以通过这些内容完全了解VSWR: 


如何用电压表示VSWR?
根据定义,VSWR是电源和负载之间任何地方的最高电压(驻波的最大幅度)与最低电压(驻波的最小幅度)之比。

VSWR = | V(max)| / | V(min)|

V(max)=驻波的最大振幅
V(min)=驻波的最小振幅


如何使用阻抗表达VSWR?
根据定义,VSWR是负载阻抗与源阻抗之比。

驻波比= ZL / Zo

ZL =负载阻抗
Zo =源阻抗

VSWR的理想值是多少?
理想VSWR的值为1:1或简短地表示为1。在这种情况下,从负载到电源的反射功率为零。

如何使用反射和前向功率表达VSWR?
根据定义,VSWR等于

VSWR = 1 +√(Pr / Pf)/ 1 –√(Pr / Pf)

其中:

Pr =反射功率
Pf =正向功率


也可以参考: 如何调频收音机天线DIY |国产调频天线基础知识与教程

3)为什么要关心VSWR? 

VSWR的值表示从负载反射到电源的功率。 它通常用于描述从电源(通常是高频放大器)通过传输线(通常是同轴电缆)到负载(通常是天线)损失了多少功率。

这是一个糟糕的情况:由于能量过高,发射器烧毁了。

这是主要原因:

所有能量都在线路的末端反射(例如,通过开路或短路),然后没有任何能量被吸收,从而在线路上产生完美的“驻波”。 这是一种糟糕的,不希望的情况。 实际上,当要辐射的功率完全返回发射器时,通常会烧坏那里的电子设备。

很难理解吗? 这是一个可能对您有所帮助的示例:

往岸传播的海洋波列将能量带向海滩。 如果它爬到缓坡的海滩上,所有的能量都会被吸收,并且没有波传播回海上。 如果不存在倾斜的海滩,而是存在垂直的海堤,则入射波将被完全反射,从而使墙壁中没有吸收任何能量。 




在这种情况下,传入波和传出波之间的干扰会产生一个“驻波”,看起来根本没有传播。 峰保持在相同的空间位置,只是上下移动。

在无线电或雷达传输线上也会发生相同的现象。 在这种情况下,我们希望线路上的波(电压和电流)传播一种方式,并将其能量存储到所需的负载中,在这种情况下,负载可能是要辐射的天线。 


如果所有能量都在线路的末端反射(例如,通过开路或短路),那么任何能量都不会被吸收,从而在线路上产生完美的“驻波”。 


开路或短路不会引起反射波。 所要做的只是线路和负载之间的阻抗不匹配。 如果反射波的强度不如前向波强,则将观察到某些“驻波”模式,但零点的深度和峰值都不会达到完美反射(或完全失配)的程度。


也可以参考: 为什么我们需要驻波比(SWR)?


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2.什么是SWR(驻波比)?


1)驻波比(SWR)的定义

根据维基百科,驻波比(SWR)定义为:


''在无线电工程和电信中,负载与传输线或波导的特征阻抗的阻抗匹配的度量。 因此,SWR是透射波与反射波之比或最大驻波振幅与最小振幅之比,通常将SWR定义为电压比,称为“ VSWR”。


较高的SWR表示传输线效率和反射能量差,这可能会损坏发射器并降低发射器效率。 由于SWR通常指电压比,因此通常称为电压驻波比(VSWR)。


2)VSWR如何影响变送器系统的性能? 

VSWR有多种方式影响发射机系统或任何可能使用RF和匹配阻抗的系统的性能。

尽管通常使用术语VSWR,但电压和电流驻波都可能引起问题。 一些影响详述如下:

A.发射机功率放大器可能会损坏:

由于驻波,馈线上出现的电压和电流电平增加,可能会损坏发送器的输出晶体管。 半导体器件如果在其指定的极限范围内运行,则非常可靠,但如果馈线上的电压和电流驻波使设备在其极限范围内运行,则可能导致灾难性的损坏。

B. PA保护降低了输出功率:  

鉴于高SWR电平确实会造成功率放大器损坏的真正危险,许多发射器都集成了保护电路,当SWR升高时,保护电路会降低发射器的输出。 这意味着,馈线和天线之间的不良匹配将导致较高的SWR,从而导致输出降低,从而显着降低发射功率。

C.高电压和电流水平会损坏馈线:   

高驻波比引起的高电压和电流水平可能会损坏馈线。 尽管在大多数情况下,馈线可以在其极限范围内正常运行,并且应该能够容纳两倍的电压和电流,但在某些情况下会造成损坏。 电流最大值可能会导致过度的局部加热,从而使使用的塑料变形或熔化,并且已知高压在某些情况下会引起电弧。

D.反射引起的延迟可能导致失真:   

当信号因失配而反射时,它将被反射回源,然后又可以被反射回天线。 引入的延迟等于信号沿馈线的传输时间的两倍。 如果正在传输数据,则可能导致符号间干扰,在另一个正在传输模拟电视的示例中,看到了“重影”图像。


有趣的是,差的VSWR造成的信号电平损失几乎没有人们想象的那么大。 负载反射的任何信号都会反射回发射机,并且由于发射机的匹配可以使信号再次反射回天线,因此产生的损耗从根本上说是馈线造成的。 


天线效率中还有其他重要的指标需要测量:反射系数,失配损耗和回波损耗。 VSWR并不是天线理论的终极目标,但它很重要。


也可以参考: 什么是低通滤波器以及如何构建低通滤波器?

3)VSWR vs SWR vs PSWR vs ISWR

术语VSWR和SWR常见于有关RF系统中驻波的文献中,许多人都在询问这些差异。


●VSWR(电压驻波比):

VSWR或电压驻波比专门适用于在馈线或传输线上设置的电压驻波。 由于更容易检测电压驻波,并且在许多情况下,电压在器件击穿方面更为重要,因此经常使用术语VSWR,尤其是在RF设计区域内。


●SWR(驻波比):

SWR代表驻波比。 您可以将其看作是同轴电缆等传输线上电磁场(EM场)不均匀性的数学表达式。 通常,SWR定义为沿线路的最大射频(RF)电压与最小RF电压之比。 驻波比(SWR)具有三个特征:


SWR具有以下功能:

● 它描述了线路上出现的电压和电流驻波。 

●它 是电流和电压驻波的通用描述。 

●它 通常与用于检测驻波比的仪表结合使用。 

注意: 对于给定的失配,电流和电压都按相同的比例上升和下降。


较高的SWR表示传输线效率和反射能量差,这可能会损坏发射器并降低发射器效率。 由于SWR通常指电压比,因此通常称为电压驻波比(VSWR)。


●PSWR(功率驻波比):

功率驻波比这个术语(有时也看到过)被定义为VSWR的平方。 但是,这是一个完全谬误,因为前向和反射功率是恒定的(假定没有馈线损耗),并且功率不会以与作为前向和反射元素之和的电压和电流驻波波形相同的方式上升和下降。


●ISWR(当前驻波比):

SWR也可以定义为线路上最大RF电流与最小RF电流之比(电流驻波比或ISWR)。 对于大多数实际目的,ISWR与VSWR相同。


从某些人对SWR和VSWR基本形式的理解来看,它们是完美的1:1。 SWR意味着将您施加在线路上的所有功率从天线中推出。 如果SWR不是1:1,那么您所消耗的功率超过了所需的功率,那么其中的一些功率会在线路上反射回发射机,然后发生碰撞,这将导致您的信号不那么干净,清除。


但是,VSWR和SWR有什么区别? SWR(驻波比)是一个概念,即驻波比。 VSWR实际上是通过测量电压以确定SWR进行测量的方式。 您还可以通过测量电流甚至功率(ISWR和PSWR)来测量SWR。 但是对于大多数意图和目的,当有人说SWR时,它们的意思是VSWR,在普通对话中,它们是可以互换的。


您似乎已经掌握了这样一种想法,即它与向天线馈送的功率与被反射回去的功率与(在大多数情况下)向天线输出的功率之间的比率有关。 但是,以下语句“您消耗的功率超出了所需的功率”和“然后导致碰撞,这将导致信号不那么干净”,这是不正确的


VSWR与偏转功率


在较高驻波比的情况下,部分或大量功率被简单地反射回发射器。 它与干净的信号无关,并且与保护变送器不被烧坏有关,而SWR则与您要抽出的电量无关。 它仅表示在该频率下,天线系统没有辐射器那么高效。 当然,如果您尝试以某个频率进行传输,则您希望天线具有尽可能低的驻波比(通常,小于2:1的信号在较低频段上并不那么糟糕,而在较高频段上1.5:1则不错) ,但是许多多频带天线在某些频带上可能为10:1,并且您可能会发现可以接受。


也可以参考: 如何消除对AM和FM接收机噪声


4)驻波比和系统效率
在理想的系统中,100%的能量从功率级传输到负载。 这要求在源阻抗(传输线及其所有连接器的特征阻抗)与负载阻抗之间进行精确匹配。 信号的交流电压从一端到另一端都是相同的,因为它通过时不会受到干扰。


VSWR与反射功率百分比


在实际系统中,阻抗不匹配会导致一些功率被反射回源(如回声)。 这些反射会导致相长和相消干扰,从而导致电压的峰值和谷值随传输线的时间和距离而变化。 VSWR量化了这些电压变化,因此电压驻波比的另一个常用定义是,它是传输线上任意点上最高电压与最低电压之比。


对于理想的系统,电压不会变化。 因此,其VSWR为1.0(或更通常以1:1的比率表示)。 发生反射时,电压会发生变化并且VSWR会更高,例如1.2(或1.2:1)。 VSWR的增加与传输线效率的降低(因此对整个发射机的效率)相关。


传输线的效率提高:
1.增加电压和功率因数
2.增加电压并降低功率因数
3.降低电压和功率因数
4.降低电压并增加功率因数

描述功率从线路到负载或天线的传输效率的四个量:VSWR,反射系数,失配损耗和回波损耗。 


现在,为了了解它们的含义,我们在下图上以图形方式显示它们。 三个条件: 


●连接到匹配负载的线路;
●连接到不匹配的短单极天线的线路(天线输入阻抗为20 – j80欧姆,而传输线阻抗为50欧姆);
●该线在应连接天线的末端断开。




绿色曲线 -50欧姆线路上的驻波,末端匹配50欧姆负载

其参数和数值如下:

参数  数值
负载阻抗
50欧姆 
反射系数

驻波
1
失配损失
0分贝
回损
–∞分贝

注意:[这太完美了; 没有驻波; 所有功率都进入天线/负载]


蓝色曲线 -50欧姆线上的驻波进入短单极天线

其参数和数值如下:

参数  数值
负载阻抗
20 – j80欧姆
反射系数 0.3805 – j0.7080
反射系数的绝对值
0.8038
驻波
9.2
失配损失
-4.5分贝
回损
-1.9分贝

注意:[这不太好; 负载或天线的功率比下行传输的功率低–4.5 dB]


红色曲线 -驻波在线与左端开路(天线端子)

其参数和数值如下:

参数  数值
负载阻抗

反射系数

驻波

失配损失
-0分贝
回损
0分贝

注意:[这非常糟糕:没有电源通过行尾传输]


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3. SWR重要参数指标


1)传输线和SWR

任何承载交流电流的导体都可以视为传输线,例如架空巨人在整个景观中分配交流市电。 纳入所有不同形式的传输线将不在本文的讨论范围之内,因此,我们将讨论范围限制在大约1 MHz至1 GHz的频率以及两种常见的线类型:同轴(或“同轴”)如图1所示。



说明: 同轴电缆(A)由被绝缘塑料或空气电介质围绕的实心或绞合中心导体和实心或编织线编织物的管状屏蔽组成。 塑料外套围绕屏蔽层以保护导体。 双引线(B)由一对平行的实心线或多股绞线组成。 电线通过模制塑料(窗线,双芯线)或陶瓷或塑料绝缘体(梯形线)固定在适当的位置。



电流以相反的方向沿着导体表面流动(请参见“皮肤效应”的侧栏)。 出人意料的是,沿着线路流动的RF能量实际上并没有在电流所在的导体中流动。 它以电磁波(EM)的形式在导体之间及其周围传播。 


图1指示了磁场在同轴电缆和双芯电缆中的位置。 对于同轴电缆,磁场完全包含在中心导体和屏蔽层之间的电介质中。 但是,对于双引线,磁场在导体周围和导体之间最强,但是没有周围的屏蔽层,因此某些磁场会延伸到导线周围的空间中。


这就是同轴电缆如此流行的原因-它不允许内部的信号与线路外部的信号和导体进行交互。 另一方面,双引线必须与其他馈线和任何类型的金属表面保持足够的距离(几条线宽就足够了)。 为什么要使用双铅? 通常它的损耗要比同轴电缆低,因此当信号损耗是一个重要的考虑因素时,它是一个更好的选择。



初学者的传输线教程(来源:AT&T)



什么是皮肤效应?
高于约1 kHz时,AC电流沿着导体表面以越来越薄的层流动。 这是 皮肤效果。 发生这种情况是因为导体内部的涡流会产生将电流推向导体外表面的磁场。 在铜缆上为1 MHz时,大多数电流限制在导体的外部0.1 mm处,而在1 GHz时,电流被压缩到只有几µm厚的一层。


也可以参考: 简单且经济实惠的DIY-如何制作FM发射器?

2)反射和透射系数


反射系数是从不匹配反射回的入射信号的分数。 反射系数表示为ρ或Γ,但是这些符号也可以用来表示VSWR。 它与VSWR直接相关




 | Γ| =(VSWR-1)/(VSWR +1)(A)

图。这是负载阻抗反射回的信号的一部分,有时表示为百分比。


为了实现完美匹配,负载不会反射任何信号(即,信号被完全吸收),因此反射系数为零。 


对于开路或短路,整个信号都会被反射回来,因此两种情况下的反射系数均为1。请注意,此讨论仅涉及反射系数的大小。  


Γ也具有关联的相角,该相角区分短路和开路以及两者之间的所有状态。 


例如,开路反射会导致入射波和反射波之间的相位角为0度,这意味着反射信号与开路位置处的输入信号同相相加; 即,驻波的振幅是入射波的振幅的两倍。 


相反,短路会导致入射信号和反射信号之间的相位角为180度,这意味着反射信号与输入信号的相位相反,因此它们的振幅相减,结果为零。 这可以在图1a和b中看到。

反射系数是入射信号从电路或传输线中的阻抗失配反射回来的比例,传输系数是入射信号在输出端出现的比例。 


它是被反射的信号以及内部电路相互作用的函数。 它也具有相应的幅度和相位。




3)什么是回程损耗和插入损耗?

回波损耗是反射信号的功率电平与输入信号的功率电平之比,以分贝(dB)为单位,即

RL(dB)= 10 log10 Pi / Pr(B)

图2.无损电路或传输线中的回波损耗和插入损耗。

在图2中,0 dBm信号Pi被施加到传输线上。 反射的功率Pr显示为-10 dBm,回波损耗为10 dB。 值越高,匹配越好,也就是说,对于完美匹配,回波损耗在理想情况下为∞,但通常认为35至45 dB的回波损耗是良好的匹配。 类似地,对于开路或短路,入射功率会被反射回去。 这些情况下的回波损耗为0 dB。

插入损耗是发射信号的功率电平与输入信号的功率电平之比,以分贝(dB)为单位,即

IL(dB)= 10 log10 Pi / Pt(C)

Pi = Pt + Pr; Pt / Pi + Pr / Pi = 1                                                                            

参见图2,Pr为-10 dBm意味着反射了10%的入射功率。 如果电路或传输线无损,则传输90%的入射功率。 因此,插入损耗约为0.5 dB,从而导致发射功率为-0.5 dBm。 如果存在内部损耗,则插入损耗将更大。



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4)什么是S参数?


数字。 两端口微波电路的S参数表示。

使用S参数,可以完全表征电路的RF性能,而无需了解其内部组成。 为此,该电路通常称为“黑匣子”。 内部组件可以是有源的(即放大器)或无源的。 唯一的规定是,针对所有感兴趣的频率和条件(例如,温度,放大器偏置)确定S参数,并且电路是线性的(即,其输出与输入成正比)。 图3是具有一个输入和一个输出(称为端口)的简单微波电路的示意图。 每个端口都有一个入射信号(a)和一个反射信号(b)。 通过了解该电路的S参数(即S11,S21,S12,S22),可以确定其对所安装的任何系统的影响。

S参数是在受控条件下通过测量确定的。 使用称为网络分析仪的特殊测试设备,将信号(a1)输入端口1,端口2端接在具有受控阻抗(通常为50欧姆)的系统中。 分析仪同时测量并记录a1,b1和b2(a2 = 0)。 然后将过程逆转,即,将信号(a2)输入到端口2,分析仪将测量a2,b2和b1(a1 = 0)。 网络分析仪以最简单的形式仅测量这些信号的幅度。 这称为标量网络分析仪,足以确定诸如VSWR,RL和IL之类的数量。 但是,为了进行完整的电路表征,还需要相位,并且需要使用矢量网络分析仪。 S参数由以下关系确定:

S11 = b1 / a1; S21 = b2 / a1; S22 = b2 / a2; S12 = b1 / a2(D)

S11和S22分别是电路的输入和输出端口反射系数; S21和S12是电路的正向和反向传输系数。 RL通过以下关系与反射系数相关

RLPort 1(dB)= -20 log10 | S11 | 和RLPort 2(dB)= -20 log10 | S22 | (E)

IL通过以下关系与电路的传输系数相关

从端口1到端口2的IL(dB)= -20 log10 | S21 | 从端口2到端口1的IL(dB)= -20 log10 | S12 | (F)

该表示可以扩展到具有任意数量的端口的微波电路。 S参数的数量与端口数量的平方成正比,因此数学运算变得更加复杂,但是可以使用矩阵代数进行管理。


5)什么是阻抗匹配?

阻抗是电能在远离其源头时遇到的对立面。  


同步负载和源阻抗将抵消导致最大功率传输的影响。 


这被称为最大功率传递定理:最大功率传递定理在射频传输组件中,尤其是在RF天线的设置中至关重要。



阻抗匹配对于要最佳地移动电压和功率的RF设置的有效运行至关重要。 在射频设计中,源阻抗和负载阻抗的匹配将使射频功率的传输最大化。 天线将在其阻抗与传输源的输出阻抗匹配的情况下接收最大或最佳的功率传输。

50Ω阻抗是设计大多数RF系统和组件的标准。 支撑一系列射频应用中的连接性的同轴电缆的典型阻抗为50欧姆。 1920年代进行的RF研究发现,取决于电压和功率传输,用于RF信号传输的最佳阻抗将在30至60Ohms之间。 具有相对标准化的阻抗,可以使电缆和组件(例如WiFi或蓝牙天线)之间进行匹配, 线路板 和衰减器。 许多关键天线类型的阻抗为50欧姆,包括ZigBee GSM GPS和LoRa

反射系数-维基百科

反射系数-来源:维基百科


阻抗不匹配会导致电压和电流反射,在射频设置中,这意味着信号功率将被反射回其源,比例取决于不匹配的程度。 这可以使用电压驻波比(VSWR)来表征,该电压驻波比是将RF功率从其源传输到负载(例如天线)的效率的度量。

源阻抗和负载阻抗之间的不匹配,例如75Ohm天线和50 Ohm同轴电缆的不匹配,可以使用一系列阻抗匹配设备来克服,例如串联的电阻,变压器,表面安装的阻抗匹配垫或天线调谐器。

在电子产品中,阻抗匹配涉及创建或更改电路或电子应用程序或组件设置,以使电负载的阻抗与电源或驱动源的阻抗匹配。 该电路经过设计或调整,以使阻抗看起来相同。




在查看包含传输线的系统时,有必要了解源,传输线/馈线和负载都具有特征阻抗。 50Ω是RF应用的一种非常常见的标准,尽管在某些系统中偶尔会出现其他阻抗。


为了获得从电源到传输线或从传输线到负载的最大功率传输,无论是电阻器,另一个系统的输入还是天线,阻抗水平都必须匹配。

换句话说,对于50Ω系统,源或信号发生器的源阻抗必须为50Ω,传输线必须为50Ω,因此负载必须为XNUMXΩ。



当电力传输到传输线或馈线并且它向负载传播时会出现问题。 如果存在不匹配,即负载阻抗与传输线的负载阻抗不匹配,则不可能传输所有功率。


由于功率不能消失,未传输到负载的功率必须在某处,然后沿着传输线返回到源。



当发生这种情况时,馈线中的前向波和反射波的电压和电流根据相位在沿馈线的不同点处相加或相减。 以这种方式建立驻波。


可以通过一定长度的绳索来证明效果发生的方式。 如果一端自由而另一端向上移动,则可以看到波浪运动沿着绳索向下移动。 然而,如果固定一端,则建立驻波运动,并且可以看到最小和最大振动点。


当负载电阻低于馈线阻抗电压并设置电流幅值时。 这里负载点的总电流高于完全匹配的线路,而电压则较小。



沿馈线的电流和电压值沿馈线变化。 对于较小的反射功率值,波形几乎是正弦波,但对于较大的值,它变得更像是全波整流的正弦波。 该波形由来自正向功率的电压和电流加上来自反射功率的电压和电流组成。



在距离负载四分之一波长的距离处,组合电压达到最大值,同时电流处于最小值。 在离负载半波长的距离处,电压和电流与负载相同。

当负载电阻大于馈线阻抗时会出现类似情况,但此时负载的总电压高于完全匹配线的值。 电压在距负载四分之一波长处达到最小值,电流达到最大值。 然而,在距负载半波长的距离处,电压和电流与负载相同。



然后,当在线的末端放置开路时,馈线的驻波图案类似于短路的驻波图案,但电压和电流模式反转。



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6)什么是反射能量?
当传输波碰到诸如无损传输线和负载之间的边界之类的边界时(请参见下面的图1),一些能量将被传输到负载,而一些能量将被反射。 反射系数将入射波和反射波关联为:

Γ= V- / V +(式1)

其中V-是反射波,V +是入射波。 VSWR通过以下方式与电压反射系数(Γ)的大小有关:

VSWR =(1 + |Γ|)/(1 – |Γ|)(等式2)


图1.传输线电路,说明了传输线和负载之间的阻抗失配边界。 反射在由Γ指定的边界处发生。 入射波为V +,反射波为V-。


VSWR可以直接用SWR表测量。 可以使用诸如矢量网络分析仪(VNA)之类的RF测试仪器来测量输入端口(S11)和输出端口(S22)的反射系数。 S11和S22分别等效于输入和输出端口上的Γ。 具有数学模式的VNA还可以直接计算并显示最终的VSWR值。


可以根据反射系数S11或S22计算输入和输出端口的回波损耗,如下所示:


RLIN = 20log10 | S11 | dB(等式3)

RLOUT = 20log10 | S22 | dB(等式4)


反射系数由传输线的特征阻抗和负载阻抗计算得出,如下所示:


Γ=(ZL-ZO)/(ZL + ZO)(式5)


其中ZL是负载阻抗,ZO是传输线的特征阻抗(图1)。


VSWR也可以用ZL和ZO表示。 将公式5代入公式2,我们得到:


VSWR = [1 + |(ZL-ZO)/(ZL + ZO)|] / [1-|(ZL-ZO)/(ZL + ZO)|] =(ZL + ZO + | ZL-ZO |)/ (ZL + ZO-| ZL-ZO |)


对于ZL> ZO,|| ZL-ZO | = ZL-ZO


因此:


VSWR =(ZL + ZO + ZL-ZO)/(ZL + ZO-ZL + ZO)= ZL / ZO。 (式6)
对于ZL <ZO,|| ZL-ZO | = ZO-ZL


因此:


VSWR =(ZL + ZO + ZO-ZL)/(ZL + ZO-ZO + ZL)= ZO / ZL。 (式7)


上面我们指出,VSWR是相对于1的比率形式的规范,例如1.5:1。 VSWR有两种特殊情况,∞:1和1:1。 当负载开路时,无穷比与无穷大之比发生。 当负载与传输线特性阻抗完全匹配时,1:1的比率就会发生。


VSWR由传输线上本身产生的驻波定义为:


VSWR = | VMAX | / | VMIN | (式8)

其中VMAX是驻波的最大振幅,而VMIN是驻波的最小振幅。 对于两个叠加波,最大值在入射波和反射波之间产生相长干涉时发生。 从而:


VMAX = V + + V-(式9)


以获得最大的建设性干扰。 最小振幅发生在相消干涉下,或者:

VMIN = V +-V-(式10)


将方程式9和10代入方程式8可得


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

将方程式1代入方程式11,我们得到:


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


公式12是本文开头所述的公式2。


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4. VSWR计算器:如何计算VSWR? 


均匀传输线中驻波的电压分量由叠加在反射波(振幅为Vr)上的正向波(振幅为Vf)组成。 反射是由于不连续而产生的,例如不连续的传输线中有瑕疵,或者传输线以其特性阻抗以外的方式端接。


如果您对确定天线的性能感兴趣,应始终在天线端子本身而不是在发射机的输出端测量VSWR。 由于发射电缆中的欧姆损耗,会产生一种具有更好的天线VSWR的错觉,但这仅仅是因为这些损耗会抑制天线端子处突然反射的影响。

由于天线通常位于距发射器一定距离的位置,因此需要一条馈线才能在两者之间传输功率。 如果馈线没有损耗,并且匹配发射器输出阻抗和天线输入阻抗,则最大功率将被传递到天线。 在这种情况下,VSWR将为1:1,并且电压和电流在馈电线的整个长度上将保持恒定。


1)驻波比计算

回波损耗是入射波功率与反射波功率之比的dB量度,我们将其定义为负值。


回波损耗= 10 log(Pr / Pi)= 20 log(Er / Ei)

例如,如果负载的回波损耗为-10 dB,则将反射入射功率的1/10。 回波损耗越高,实际损耗的功率就越少。

失配损耗也引起了人们的极大兴趣。 这是由于反射导致发射功率衰减了多少的度量。 它由以下关系给出:


失配损耗= 10 log(1 -p2)


例如,根据表#1,VSWR为2:1的天线的反射系数为0.333,失配损耗为-0.51 dB,回波损耗为-9.54 dB(发射器功率的11%被反射回去) )


2)免费VSWR计算表


这是一个简单的VSWR计算图。 


始终记住VSWR应该大于1.0


驻波 反射系数(Γ) 反射功率(%) 电压损失
反射功率(dB)
回损
失配损耗(dB)
1
0.00 0.00 0 -无穷 无限 0.00
1.15
0.070 0.5 7.0 -23.13 23.13 0.021
1.25 0.111 1.2 11.1 -19.08 19.08 0.054
1.5
0.200 4.0 20.0 -13.98 13.98 0.177
1.75 0.273 7.4 273.
-11.73 11.29 0.336
1.9 0.310
9.6 31.6 -10.16 10.16 0.440
2.0 0.333 11.1
33.3 -9.54 9.540 0.512
2.5 0.429 18.4 42.9 -7.36 7.360 0.881
3.0 0.500 25.0 50.0 -6.02 6.021 1.249
3.5
0.555 30.9 55.5 -5.11 5.105 1.603
4.0
0.600 36.0 60.0 -4.44
4.437 1.938
4.5
0.636 40.5 63.6 -3.93

3.926

2.255
5.0 0.666 44.4 66.6 -3.52 3.522 2.553
10 0.818 66.9 81.8 -1.74 1.743 4.807
20 0.905 81.9 90.5 -0.87 0.8693 7.413
100 0.980 96.1 98.0 -0.17 0.1737 14.066
... ... ... ... ... ...
...


100
100


额外阅读:天线中的驻波比



电压驻波比(VSWR)表示天线与连接到它的馈电线之间的不匹配量。 这也称为驻波比(SWR)。 VSWR的值范围是1到∞。 


低于2的VSWR值被认为适合大多数天线应用。 天线可被描述为具有“良好匹配”。 因此,当有人说天线匹配不良时,通常意味着对于感兴趣的频率,VSWR值超过2。 


回波损耗是另一个令人关注的指标,在​​“天线理论”部分中有更详细的介绍。 通常需要在回波损耗和VSWR之间进行转换,并在表中列出了一些值以及这些值的图表以供快速参考。


这些计算从何而来? 好吧,从VSWR的公式开始:



如果我们颠倒这个公式,我们可以从VSWR计算反射系数(或回波损耗s11):



现在,该反射系数实际上是根据电压定义的。 我们真的很想知道正在体现多少力量。 这将与电压的平方成正比(V ^ 2)。 因此,以百分比表示的反射功率将是:



我们可以简单地将反射功率转换为分贝:



最终,功率被反射或传递到天线。 传送到天线的数量记为(),简称为(1- ^ 2)。 这称为失配损耗。 这是由于阻抗不匹配而造成的功率损耗,我们可以很容易地计算出该功率:



这就是我们需要在VSWR,s11 /回波损耗和失配损耗之间来回切换的全部知识。 希望您度过了与我一样的美好时光。


转换表– dBm到dBW和W(瓦)

在此表中,我们介绍了以dBm,dBW和Watt(W)为单位的功率值如何相互对应。

功率(dBm)
功率(dBW)
功率(瓦特)
100 
70 
10 MW
90 
60 
1 MW
80 
50 
100千瓦
70 
40 
10千瓦
60 
30 
1千瓦
50 
20 
100W¯¯
40 
10 
10W¯¯
30  
0
1W¯¯
20 
-10 
100毫瓦
10 
-20 
10毫瓦

-30 
1毫瓦
-10 
-40 
100微瓦
-20 
-50 
10微瓦
-30 
-60 
1微瓦
-40 
-70 
100毫瓦
-50 
-80 
10毫瓦
-60 
-90 
1毫瓦
-70 
-100 
100 pW
-80 
-110 
10 pW
-90 
-120 
1 pW
-100 
-130 
0.1 pW
-∞ 
-∞ 
0W¯¯
其中:
dBm =分贝毫瓦
dBW =分贝瓦
MW =兆瓦
KW =千瓦
W =瓦特
mW =毫瓦
μW=微瓦
nW =纳瓦
pW =皮瓦


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3)VSWR公式

此程序是用于计算电压驻波比(VSWR)的小程序。

设置天线和发射机系统时,重要的是要避免系统中任何地方的阻抗失配。 任何不匹配都意味着一部分输出波被反射回发射器,从而导致系统效率低下。 各种设备(例如,发射器,电缆和天线)之间的接口可能发生不匹配。 天线的阻抗通常为50欧姆(当天线尺寸正确时)。 发生反射时,电缆中会产生驻波。


VSWR公式 和反射系数:

式1
反射系数Γ定义为
式2
VSWR或电压驻波比
公式
公式

伽玛
ZL =负载(通常是天线)的欧姆值
Zo =传输线的特性阻抗,以欧姆为单位
西格玛

假定ρ在0到1之间变化,则VSWR的计算值将从1到无穷大。

计算值
-1≤Γ≤1。
计算值
1或1:1的比例。
当值为“ -1”时。
意味着发生100%反射,并且没有功率传递到负载。 反射波与入射波异相(反转)180度。
开路

这是未连接天线的开路情况。 这意味着ZL是无限的,并且Zo项将在等式1中消失,留下Γ= 1(100%反射)和ρ= 1。


没有功率被传递,并且VSWR将是无限的。
当值为“ 1”时。
意味着发生100%反射,并且没有功率传递到负载。 反射波与入射波同相。
有短路

想象一下电缆的末端是否短路。 这意味着ZL为0,等式1将计算Γ= -1和ρ= 1。


没有功率传输,VSWR是无限的。
当值为“ 0”时。
意味着没有反射发生,所有功率都转移到了负载上。 (理想)
使用正确匹配的天线。
连接正确匹配的天线后,所有能量都会转移到天线并转换为辐射。 ZL为50欧姆,等式1将计算出Γ为零。 因此,VSWR就是1。
N / A N / A 天线匹配不正确。
连接不正确匹配的天线时,阻抗将不再是50欧姆,并且会发生阻抗不匹配,并且部分能量会被反射回去。 反射的能量取决于失配的程度,因此VSWR会大于1。

当使用特性阻抗不正确的电缆时


用于将天线连接到发射器的电缆/传输线必须是正确的特性阻抗Zo。 


通常,同轴电缆为50欧姆(电视和卫星电视为75欧姆),其值将打印在电缆本身上。 


反射的能量取决于失配的程度,因此VSWR将为大于1的值。


回顾:

什么是驻波? 负载连接到传输线的末端,信号沿其流动并进入负载。 如果负载阻抗与传输线阻抗不匹配,则一部分行波会反射回源。


当发生反射时,它们会沿着传输线向下传播,并与入射波合并以产生驻波。 重要的是要注意,最终的波看起来像静止波,不会像正常波那样传播,也不会向负载传递能量。 该波具有最大振幅和最小振幅的区域,分别称为波腹和波腹。


连接天线时,如果产生VSWR为1.5,则功率效率为96%。 当产生VSWR为3.0时,功率效率为75%。 在实际使用中,建议不要将VSWR超过3。


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5.如何测量驻波比-维基百科解释
可以使用许多不同的方法来测量驻波比。 最直观的方法是使用一条带缝线,该带缝线是传输线的一部分,带有一个开放的缝隙,该缝隙使探针可以检测沿线的各个点上的实际电压。 


这样就可以直接比较最大值和最小值。 VHF和更高频率下使用此方法。 在较低的频率下,这样的线不切实际地长。 定向耦合器可以通过微波频率用于HF。 


有些是四分之一波或更长,这限制了它们在较高频率下的使用。 其他类型的定向耦合器在传输路径中的单个点处采样电流和电压,并以数学方式将它们组合起来,以表示在一个方向上流动的功率。


业余操作中使用的常见SWR /功率计类型可能包含双向耦合器。 其他类型使用单个耦合器,该耦合器可以旋转180度以采样沿任一方向流动的功率。 这种类型的单向耦合器可用于许多频率范围和功率水平,并为所使用的模拟仪表提供适当的耦合值。


使用可旋转定向耦合器元件的定向功率计


定向耦合器测得的前向和反射功率可用于计算SWR。 可以用模拟或数字形式进行数学计算,也可以使用内置在仪表中的图形方法作为额外的标度,或者通过读取同一仪表上两个指针之间的交叉点来进行计算。


上述测量仪器可以“在线”使用,也就是说,变送器的全部功率可以通过测量设备,从而可以连续监控SWR。 其他仪器,例如网络分析仪,低功率定向耦合器和天线桥,都使用低功率进行测量,必须代替发射器进行连接。 桥接电路可用于直接测量负载阻抗的实部和虚部,并使用这些值得出SWR。 这些方法不仅可以提供SWR或正向和反射功率,还可以提供更多信息。[11] 独立式天线分析仪使用各种测量方法,并且可以显示随频率变化的SWR和其他参数。 通过结合使用定向耦合器和电桥,可以制造出可以直接读取复数阻抗或SWR的在线仪表。[12] 也可以使用独立的天线分析仪来测量多个参数。


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6。 经常问问题

1)导致高驻波比的原因是什么?

如果VSWR太高,则可能有太多能量反射回功率放大器,从而损坏内部电路。 在理想的系统中,VSWR为1:1。 VSWR额定值较高的原因可能是负载使用不当或诸如传输线损坏之类的未知因素。


2)如何降低VSWR?

减少来自任何设备的输入或输出的反射信号的一种技术是在设备之前或之后放置一个衰减器。 衰减器将反射信号的衰减值减小两倍,而发射信号则接收标称衰减值。 (提示:为强调VSWR和RL对您的网络的重要性,请考虑将性能从VSWR降低1.3:1到1.5:1-这是16 dB到13 dB的回波损耗的变化)。


3)是S11回波损耗吗?

实际上,关于天线的最常引用的参数是S11。 S11表示从天线反射了多少功率,因此被称为反射系数(有时写为gamma或回波损耗。。。。)该接收到的功率要么作为辐射损耗要么作为天线内的损耗吸收或吸收。


4)为什么要测量VSWR?

VSWR(电压驻波比)是衡量射频功率从电源通过传输线传输到负载(例如,从功率放大器通过传输线到天线)传输效率的度量。 。 在理想的系统中,100%的能量被传输。


5)如何解决高驻波比?

如果您的天线安装在车辆较低的位置,例如保险杠上或皮卡车驾驶室后面,则信号可能会弹回到天线上,从而导致驻波比偏高。 为了减轻这种情况,请至少将天线的顶部12英寸保持在车顶线上方,并在车辆上尽可能高地放置天线。


6)什么是好的VSWR阅读?
最佳读数可能是1.01:1(46dB回波损耗),但是通常低于1.5:1的读数是可以接受的。 在理想环境之外,大多数情况下会出现1.2:1(20.8dB的回波损耗)的情况。 为确保读数准确,最好将仪表连接到天线的底部。


7)1.5 SWR好吗?
是的! 理想范围是SWR 1.0-1.5。 当SWR为1.5-1.9时,仍有改进的余地,但此范围内的SWR仍应提供足够的性能。 有时,由于安装或车辆变量的原因,不可能使SWR低于此值。


8)如何在没有仪表的情况下检查我的SWR?
以下是在没有SWR表的情况下调谐CB无线电的步骤:
1)找到干扰有限的区域。
2)确保您有其他收音机。
3)将两个收音机调到同一频道。
4)讲一台收音机,听另一台收音机。
5)移开一台收音机,并在声音清晰时注意。
6)根据需要调整天线。


9)是否需要调整所有CB天线?
尽管不需要CB系统来进行天线调谐,但有许多重要原因使您必须始终调谐天线:改进的性能-正确调谐的天线将始终比未调谐的天线更有效地工作。


10)为什么我说话时我的SWR上升?

SWR读数高的最常见原因之一是将SWR表错误地连接到无线电和天线。 如果连接不正确,即使所有设备都安装正确,读数也将被报告为极高。 请参阅有关确保正确安装SWR表的文章。


7.最佳免费在线 2021年的VSWR计算器

https://www.microwaves101.com/calculators/872-vswr-calculator
http://rfcalculator.mobi/vswr-forward-reverse-power.html
https://www.everythingrf.com/rf-calculators/vswr-calculator
https://www.pasternack.com/t-calculator-vswr.aspx
https://www.antenna-theory.com/definitions/vswr-calculator.php
http://www.flexautomotive.net/flexcalc/VSWR2/VSWR.aspx
https://www.allaboutcircuits.com/tools/vswr-return-loss-calculator/
http://www.csgnetwork.com/vswrlosscalc.html
https://www.ahsystems.com/EMC-formulas-equations/VSWR.php
http://cgi.www.telestrian.co.uk/cgi-bin/www.telestrian.co.uk/vswr.pl
https://www.changpuak.ch/electronics/calc_14.php
https://chemandy.com/calculators/return-loss-and-mismatch-calculator.htm
https://www.atmmicrowave.com/calculator/vswr-calculator/
http://www.emtalk.com/vswr.php




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