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什麼是VSWR?如何測量VSWR?

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


“天線理論中的駐波比代表電壓駐波比,也稱為駐波比(SWR)。駐波比是對饋電線上駐波電平的一種測量。RF工程師知道,在研究饋電線/傳輸線時,這是一個非常重要的問題是駐波,駐波表示負載不接受並沿著傳輸線或饋線反射回來的功率,而駐波比是反射係數的函數,反射係數描述了天線反射的功率。 -FMUSER“


注意: 雖然駐波和VSWR非常重要,但VSWR理論和計算通常可以掩蓋對實際情況的看法。 幸運的是,有可能獲得對該主題的良好觀點,而無需深入研究VSWR理論。



照顧!


內容

1. 什麼是VSWR(電壓駐波比)?

2. 什麼是SWR(駐波基礎知識)?

3. SWR重要參數指標

4. VSWR計算器:如何計算VSWR?

5. 如何測量駐波比

6. 經常問問題

7. 十大最佳免費在線 VSWR計算器



1.什麼是VSWR(電壓駐波比)


1)VSWR(電壓駐波比)的定義

電壓駐波比(VSWR)定義為 無線電頻率 (RF)電氣傳輸系統。 有時VSWR也發音為“ viswar”。 VSWR是衡量RF電源從電源通過傳輸線傳輸到負載的效率的度量。 一個常見的例子是 功率放大器 通過天線連接到天線 傳輸線。 VSWR被用作所有傳輸RF的效率指標,包括傳輸線,電纜,甚至空氣中的信號。 


阻抗不匹配會導致沿傳輸線的駐波,SWR定義為在 (最大)到沿該線的節點處的振幅(最小)。



VSWR的定義為所有 計算和公式.

電壓駐波比VSWR定義為無損耗線上的最大電壓與最小電壓之比。


得到的比率通常表示為比率,例如2:1,5:1等。完美匹配是1:1和完全不匹配,即短路或開路是∞:1。


實際上,任何饋線或傳輸線上都會有損耗。 為了測量VSWR,在系統上的那個點上檢測到正向和反向功率,並將其轉換為VSWR的數字。 


通過這種方式,可以在特定點測量VSWR,並且無需沿著線路長度確定最大電壓和最小電壓。


另請閱讀: 什麼是AM和FM之間的區別?


讓我們快速觀看有關VSWR的視頻! (來源:RF elements sro)





2)VSWR的主要功能

在應用中,該圖描述了天線與天線所連接的無線電或傳輸線的阻抗匹配程度。 在連接的線路中,阻抗不匹配會引起反射,這聽起來像是回彈並向錯誤的方向前進。 反向波的結果是駐波。 這降低了天線接收並可以用於廣播的功率。 它甚至可以燒毀 發射機


VSWR被廣泛用於各種應用中,例如VSWR 天線,駐波比 電信,微波中的VSWR,射頻中的VSWR等。以下是一些主要應用,並進行了說明:


VSWR的應用 VSWR的主要功能 
發射天線
電壓駐波比(VSWR)表示 天線 以及連接到它的饋線。 這也稱為駐波比(SWR)。 VSWR的值範圍是1到∞。 低於2的VSWR值被認為適合大多數天線應用。 天線可被描述為具有“良好匹配”。 因此,當有人說天線匹配不良時,通常意味著對於感興趣的頻率,VSWR值超過2。
電信 在電信中,駐波比(SWR)是電傳輸線中波腹處的部分駐波的振幅(最大值)與相鄰節點處的振幅(最小值)的比率。 
微波
與微波傳輸線和電路相關的常見性能指標是VSWR,反射係數和 回波損耗以及傳輸係數和插入損耗。 這些都可以使用散射參數來表示,散射參數通常稱為S參數。
RF 電壓駐波比(VSWR)定義為射頻(RF)電傳輸中透射和反射電壓駐波之間的比率 系統。 它是衡量射頻功率如何從電源通過傳輸線傳輸到負載的效率的度量。

另請閱讀:如何自己測量AM收音機上的SWR?

這是FMUSER技術人員Jimmy提供的基本的簡化RF知識列表,您可以通過這些內容完全了解VSWR: 


如何用電壓表示VSWR?
根據定義,VSWR是電源和負載之間任何地方的最高電壓(駐波的最大幅度)與最低電壓(駐波的最小幅度)之比。

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

V(max)=駐波的最大振幅
V(min)=駐波的最小振幅


如何使用阻抗表達VSWR?
根據定義,VSWR是負載阻抗與源阻抗的比值。

駐波比= ZL / Zo

ZL =負載阻抗
Zo =源阻抗

VSWR的理想值是多少?
理想VSWR的值為1:1或簡短地表示為1。在這種情況下,從負載到電源的反射功率為零。

如何使用反射和前向功率表達VSWR?
根據定義,VSWR等於

VSWR = 1 +√(Pr / Pf)/ 1 –√(Pr / Pf)

其中:

Pr =反射功率
Pf =正向功率


另請閱讀: 如何調頻收音機天線DIY |自製調頻天線基礎知識與教程

3)為什麼要關心VSWR? 

VSWR的值表示從負載反射到電源的功率。 它通常用於描述從電源(通常是高頻放大器)通過傳輸線(通常是同軸電纜)到負載(通常是天線)損失了多少功率。

這是一個糟糕的情況:由於過高的能量,您的變送器燒毀了。

這是主要原因:

所有能量都在線路的末端反射(例如,通過開路或短路),然後沒有任何能量被吸收,從而在線路上產生完美的“駐波”。 這是一種糟糕的,不希望的情況。 實際上,當要輻射的功率完全返回發射器時,通常會燒壞那裡的電子設備。

很難理解嗎? 這是一個可能對您有幫助的示例:

往岸傳播的海浪將能量帶向海灘。 如果它爬到緩坡的海灘上,所有的能量都會被吸收,並且沒有波傳播回海上。 如果不存在傾斜的海灘,而是存在垂直的海堤,則入射波將被完全反射,從而使牆壁中沒有吸收任何能量。 




在這種情況下,傳入波和傳出波之間的干擾會產生一個“駐波”,看起來根本沒有傳播。 峰保持在相同的空間位置,只是上下移動。

在無線電或雷達傳輸線上也會發生相同的現象。 在這種情況下,我們希望線路上的波(電壓和電流)以一種方式傳播並將它們的能量存儲到所需的負載中,在這種情況下,負載可能是要輻射的天線。 


如果所有能量都在線路的末端反射(例如,通過開路或短路),那麼任何能量都不會被吸收,從而在線路上產生完美的“駐波”。 


開路或短路不會引起反射波。 所要做的只是線路和負載之間的阻抗不匹配。 如果反射波的強度不如前向波強,則將觀察到某些“駐波”模式,但零點的深度和峰值都不會達到完美反射(或完全失配)的程度。


另請閱讀: 為什麼我們需要駐波比(SWR)?


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2.什麼是SWR(駐波比)?


1)駐波比(SWR)的定義

根據維基百科,駐波比(SWR)定義為:


``在無線電工程和電信中,負載與傳輸線或波導的特徵阻抗的阻抗匹配的度量。 因此,SWR是透射波與反射波之比或最大駐波振幅與最小振幅之比,通常將SWR定義為電壓比,稱為“ VSWR”。


較高的SWR表示傳輸線效率和反射能量較差,這可能會損壞發射器並降低發射器效率。 由於SWR通常指電壓比,因此通常稱為電壓駐波比(VSWR)。


2)VSWR如何影響變送器系統的性能? 

VSWR有多種方式影響發射機系統或任何可能使用RF和匹配阻抗的系統的性能。

儘管通常使用術語VSWR,但電壓和電流駐波都可能引起問題。 一些影響詳述如下:

A.發射機功率放大器可能會損壞:

由於駐波,饋線上出現的電壓和電流電平增加,可能會損壞發送器的輸出晶體管。 半導體器件如果在其指定的極限範圍內運行,則非常可靠,但如果饋線上的電壓和電流駐波使設備在其極限範圍內運行,則可能導致災難性的損壞。

B. PA保護降低了輸出功率:  

鑑於高SWR電平確實會造成功率放大器損壞的真正危險,許多發射器都集成了保護電路,當SWR升高時,保護電路會降低發射器的輸出。 這意味著,饋線和天線之間的不良匹配將導致較高的SWR,從而導致輸出降低,從而顯著降低發射功率。

C.高電壓和電流水平會損壞饋線:   

由高駐波比引起的高電壓和電流水平可能會損壞饋線。 儘管在大多數情況下,饋線可以在其極限範圍內正常運行,並且應該能夠容納兩倍的電壓和電流,但在某些情況下會造成損壞。 電流最大值可能會導致過多的局部加熱,從而使使用的塑料變形或熔化,並且已知高壓在某些情況下會引起電弧。

D.反射引起的延遲可能導致失真:   

當信號因失配而反射時,它將被反射回源,然後又可以被反射回天線。 引入的延遲等於信號沿饋線的傳輸時間的兩倍。 如果正在傳輸數據,則可能導致符號間干擾,在另一個正在傳輸模擬電視的示例中,看到了“重影”圖像。


有趣的是,差的VSWR引起的信號電平損失幾乎沒有人們想像的那麼大。 負載反射的任何信號都會反射回發射器,並且由於發射器的匹配可以使信號再次反射回天線,因此產生的損耗從根本上說是饋線造成的。 


天線效率還有其他重要的指標需要測量:反射係數,失配損耗和回波損耗。 VSWR並不是天線理論的終極目標,但它很重要。


另請閱讀: 什麼是低通濾波器以及如何構建低通濾波器?

3)VSWR vs SWR vs PSWR vs ISWR

術語VSWR和SWR常見於有關RF系統中駐波的文獻中,許多人都在詢問這些差異。


●VSWR(電壓駐波比):

VSWR或電壓駐波比專門適用於在饋線或傳輸線上設置的電壓駐波。 由於更容易檢測電壓駐波,並且在許多情況下,電壓在器件擊穿方面更為重要,因此經常使用術語VSWR,尤其是在RF設計區域內。


●SWR(駐波比):

SWR代表駐波比。 您可以將其看作是同軸電纜等傳輸線上電磁場(EM場)不均勻性的數學表達式。 通常,SWR定義為沿線路的最大射頻(RF)電壓與最小RF電壓之比。 駐波比(SWR)具有三個功能:


SWR具有以下功能:

● 它描述了線路上出現的電壓和電流駐波。 

●它 是電流和電壓駐波的通用描述。 

●它 通常與用於檢測駐波比的儀表結合使用。 

注意: 對於給定的失配,電流和電壓都按相同的比例上升和下降。


較高的SWR表示傳輸線效率和反射能量較差,這可能會損壞發射器並降低發射器效率。 由於SWR通常指電壓比,因此通常稱為電壓駐波比(VSWR)。


●PSWR(功率駐波比):

功率駐波比這個術語(有時也看到過)被定義為VSWR的平方。 但是,這是完全謬誤,因為前向和反射功率是恆定的(假設沒有饋線損耗),並且功率不會以與作為前向和反射元素之和的電壓和電流駐波波形相同的方式上升和下降。


●ISWR(當前駐波比):

SWR也可以定義為線路上最大RF電流與最小RF電流之比(電流駐波比或ISWR)。 對於大多數實際目的,ISWR與VSWR相同。


從某些人對SWR和VSWR基本形式的理解來看,它們是完美的1:1。 SWR意味著將您施加在線路上的所有功率從天線中推出。 如果SWR不是1:1,那麼您所消耗的功率超過了所需的功率,那麼其中的一些功率會沿線路反射回發射機,然後發生碰撞,這將導致信號不那麼乾淨和清除。


但是,VSWR和SWR有什麼區別? SWR(駐波比)是一個概念,即駐波比。 VSWR實際上是通過測量電壓以確定SWR進行測量的方式。 您還可以通過測量電流甚至功率(ISWR和PSWR)來測量SWR。 但是對於大多數意圖和目的,當有人說SWR時,它們的意思是VSWR,在普通對話中,它們是可以互換的。


您似乎已經掌握了這樣一種想法,即它與向天線饋送的功率與被反射回去的功率與(在大多數情況下)向天線輸出的功率之間的比率有關。 但是,“您消耗的功率超出了所需的功率”和“然後導致碰撞的信號將導致信號不那麼乾淨”的陳述是錯誤的


VSWR與反向功率


在較高駐波比的情況下,部分或大量功率被簡單地反射回發射器。 它與乾淨的信號無關,與保護髮射器不被燒壞有關,SWR與抽出的電量無關。 這僅表示在該頻率下,天線系統的效率不及輻射器。 當然,如果您嘗試以某個頻率進行傳輸,則您希望天線具有盡可能低的駐波比(通常,小於2:1的信號在較低頻段上並不那麼糟糕,而在較高頻段上1.5:1則不錯) ,但是許多多頻帶天線在某些頻帶上可能為10:1,並且您可能會發現可以接受。


另請閱讀: 如何消除對AM和FM接收機噪聲


4)駐波比和系統效率
在理想的系統中,100%的能量從功率級傳輸到負載。 這要求在源阻抗(傳輸線及其所有連接器的特徵阻抗)與負載阻抗之間進行精確匹配。 信號的交流電壓從一端到另一端都是相同的,因為它通過時不會受到干擾。


VSWR與反射功率百分比


在實際系統中,阻抗不匹配會導致一些功率被反射回源(如迴聲)。 這些反射會導致相長和相消干擾,從而導致電壓的峰值和谷值隨傳輸線的時間和距離而變化。 VSWR量化了這些電壓變化,因此電壓駐波比的另一種常用定義是,它是傳輸線上任意點上最高電壓與最低電壓之比。


對於理想的系統,電壓不會變化。 因此,其VSWR為1.0(或更通常以1:1的比率表示)。 發生反射時,電壓會發生變化並且VS​​WR會更高,例如1.2(或1.2:1)。 VSWR的增加與傳輸線效率的降低(因此對整個發射機的效率)相關。


傳輸線的效率提高:
1.增加電壓和功率因數
2.增加電壓並降低功率因數
3.降低電壓和功率因數
4.降低電壓並增加功率因數

描述功率從線路到負載或天線的傳輸效率的四個量:VSWR,反射係數,失配損耗和回波損耗。 


現在,為了了解它們的含義,我們在下圖上以圖形方式顯示它們。 三個條件: 


●連接到匹配負載的線路;
●連接到不匹配的短單極天線的線路(天線輸入阻抗為20 – j80歐姆,而傳輸線阻抗為50歐姆);
●該線在應連接天線的末端斷開。




綠色曲線 -50歐姆線路上的駐波,末端匹配50歐姆負載

其參數和數值如下:

參數  數值
負載阻抗
50歐姆 
反射係數

VSWR
1
失配損失
0分貝
回損
–∞分貝

注意:[這太完美了; 沒有駐波; 所有功率都進入天線/負載]


藍色曲線 -50歐姆線上的駐波進入短單極天線

其參數和數值如下:

參數  數值
負載阻抗
20 – j80歐姆
反射係數 0.3805 – j0.7080
反射係數的絕對值
0.8038
VSWR
9.2
失配損失
-4.5分貝
回損
-1.9分貝

注意:[這不太好; 負載或天線的功率比下行傳輸的功率低–4.5 dB]


紅色曲線 -駐波在線與左端開路(天線端子)

其參數和數值如下:

參數  數值
負載阻抗

反射係數

VSWR

失配損失
-0分貝
回損
0分貝

注意:[這非常糟糕:沒有電源通過行尾傳輸]


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3. SWR重要參數指標


1)傳輸線和SWR

任何承載交流電流的導體都可以視為傳輸線,例如那些架空巨人在整個景觀中分配交流市電。 納入所有不同形式的傳輸線將不在本文的討論範圍之內,因此,我們將討論範圍限制在大約1 MHz至1 GHz的頻率以及兩種常見的線類型:同軸(或“同軸”)如圖1所示。



說明: 同軸電纜(A)由實心或絞合中心導體組成,該實心或絞合中心導體被絕緣塑料或空氣電介質包圍,並且管狀屏蔽層為實心或編織線編織物。 塑料外套圍繞屏蔽層以保護導體。 雙引線(B)由一對平行的實心線或多股絞線組成。 電線通過模製塑料(窗線,雙芯線)或陶瓷或塑料絕緣體(梯形線)固定在適當的位置。



電流以相反的方向沿著導體表面流動(請參見“皮膚效應”的側欄)。 出人意料的是,沿線路流動的RF能量實際上並沒有在電流所在的導體中流動。 它以電磁波(EM)的形式在導體之間及其周圍傳播。 


圖1指示了磁場在同軸電纜和雙芯電纜中的位置。 對於同軸電纜,磁場完全包含在中心導體和屏蔽層之間的電介質中。 但是,對於雙引線,磁場在導體周圍和導體之間最強,但是沒有環繞的屏蔽層,因此某些磁場會延伸到導線周圍的空間中。


這就是同軸電纜如此流行的原因-它不允許內部的信號與線路外部的信號和導體進行交互。 另一方面,雙引線必須與其他饋線和任何類型的金屬表面保持足夠的距離(幾條線寬就足夠了)。 為什麼要使用雙鉛? 通常,它的損耗要比同軸電纜低,因此當信號損耗是一個重要的考慮因素時,它是一個更好的選擇。



初學者的傳輸線教程(來源:AT&T)



什麼是皮膚效應?
高於約1 kHz時,AC電流沿著導體表面以越來越薄的層流動。 這是 皮膚效果。 發生這種情況是因為導體內部的渦流會產生將電流推嚮導體外表面的磁場。 在銅纜上為1 MHz時,大多數電流限制在導體的外部0.1 mm處,而在1 GHz時,電流被壓縮到只有幾µm厚的層中。


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2)反射和透射係數


反射係數是從不匹配反射回的入射信號的分數。 反射係數表示為ρ或Γ,但是這些符號也可以用來表示VSWR。 它與VSWR直接相關




 | Γ| =(VSWR-1)/(VSWR +1)(A)

圖。這是負載阻抗反射回的信號的一部分,有時表示為百分比。


為了實現完美匹配,負載不會反射任何信號(即,信號被完全吸收),因此反射係數為零。 


對於開路或短路,整個信號都會被反射回來,因此兩種情況下的反射係數均為1。請注意,此討論僅涉及反射係數的大小。  


Γ也具有關聯的相角,該相角區分短路和開路以及兩者之間的所有狀態。 


例如,開路反射會導致入射波和反射波之間的相位角為0度,這意味著反射信號與開路位置處的輸入信號同相相加; 即,駐波的振幅是入射波的振幅的兩倍。 


相反,短路會導致入射信號和反射信號之間的相位角為180度,這意味著反射信號與輸入信號的相位相反,因此它們的振幅相減,結果為零。 這可以在圖1a和b中看到。

反射係數是入射信號從電路或傳輸線中的阻抗失配反射回來的比例,傳輸係數是入射信號在輸出端出現的比例。 


它是所反射信號以及內部電路相互作用的函數。 它也具有相應的幅度和相位。




3)什麼是回程損耗和插入損耗?

回波損耗是反射信號的功率電平與輸入信號的功率電平之比,以分貝(dB)為單位,即

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

圖2.無損電路或傳輸線中的回波損耗和插入損耗。

在圖2中,0 dBm信號Pi被施加到傳輸線上。 反射的功率Pr顯示為-10 dBm,回波損耗為10 dB。 值越高,匹配越好,也就是說,對於完美匹配,回波損耗在理想情況下為∞,但通常認為35至45 dB的回波損耗是良好的匹配。 類似地,對於開路或短路,入射功率會被反射回去。 這些情況下的回波損耗為0 dB。

插入損耗是發射信號的功率電平與輸入信號的功率電平之比,以分貝(dB)為單位,即

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

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

參見圖2,Pr為-10 dBm意味著反射了10%的入射功率。 如果電路或傳輸線無損,則傳輸90%的入射功率。 因此,插入損耗約為0.5 dB,從而導致發射功率為-0.5 dBm。 如果存在內部損耗,則插入損耗會更大。



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4)什麼是S參數?


數字。 兩端口微波電路的S參數表示。

使用S參數,可以完全表徵電路的RF性能,而無需了解其內部組成。 為此,該電路通常稱為“黑匣子”。 內部組件可以是有源的(即放大器)或無源的。 唯一的規定是針對所有感興趣的頻率和條件(例如,溫度,放大器偏置)確定S參數,並且電路是線性的(即,其輸出與輸入成正比)。 圖3是具有一個輸入和一個輸出(稱為端口)的簡單微波電路的示意圖。 每個端口都有一個入射信號(a)和一個反射信號(b)。 通過了解該電路的S參數(即S11,S21,S12,S22),可以確定其對所安裝的任何系統的影響。

S參數是在受控條件下通過測量確定的。 使用稱為網絡分析儀的特殊測試設備,信號(a1)輸入端口1,端口2端接在具有受控阻抗(通常為50歐姆)的系統中。 分析儀同時測量並記錄a1,b1和b2(a2 = 0)。 然後將過程逆轉,即,將信號(a2)輸入到端口2,分析儀將測量a2,b2和b1(a1 = 0)。 網絡分析儀以最簡單的形式僅測量這些信號的幅度。 這稱為標量網絡分析儀,足以確定諸如VSWR,RL和IL之類的數量。 但是,為了進行完整的電路表徵,還需要相位,並且需要使用矢量網絡分析儀。 S參數由以下關係確定:

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

S11和S22分別是電路的輸入和輸出端口反射係數; S21和S12是電路的正向和反向傳輸係數。 RL通過以下關係與反射係數相關

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

IL通過以下關係與電路的傳輸係數相關

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

該表示可以擴展到具有任意數量的端口的微波電路。 S參數的數量與端口數量的平方成正比,因此數學運算變得更加複雜,但是可以使用矩陣代數進行管理。


5)什麼是阻抗匹配?

阻抗是電能從其源頭移開時遇到的阻力。  


同步負載和源阻抗將抵消導致最大功率傳輸的影響。 


這被稱為最大功率傳遞定理:最大功率傳遞定理在射頻傳輸組件中,尤其是在RF天線的設置中至關重要。



阻抗匹配對於要最佳地移動電壓和功率的RF設置的有效運行至關重要。 在射頻設計中,源阻抗和負載阻抗的匹配將使射頻功率的傳輸最大化。 天線將在其阻抗與傳輸源的輸出阻抗匹配的情況下接收最大或最佳的功率傳輸。

50Ω阻抗是設計大多數RF系統和組件的標準。 支撐一系列射頻應用中的連接性的同軸電纜的典型阻抗為50歐姆。 1920年代進行的RF研究發現,取決於電壓和功率傳輸,用於RF信號傳輸的最佳阻抗將在30至60Ohms之間。 具有相對標準化的阻抗,可以使電纜和組件(例如WiFi或藍牙天線)之間進行匹配, 印刷電路板 和衰減器。 許多關鍵天線類型的阻抗為50歐姆,包括ZigBee GSM GPS和LoRa

反射係數-維基百科

反射係數-來源:維基百科


阻抗不匹配會導致電壓和電流反射,在射頻設置中,這意味著信號功率將被反射回其源,比例取決於不匹配的程度。 這可以使用電壓駐波比(VSWR)來表徵,該電壓駐波比是將RF功率從其源傳輸到負載(例如天線)的效率的度量。

源阻抗和負載阻抗之間的不匹配,例如75Ohm天線和50 Ohm同軸電纜的不匹配,可以使用一系列阻抗匹配設備來克服,例如串聯的電阻,變壓器,表面安裝的阻抗匹配墊或天線調諧器。

在電子產品中,阻抗匹配涉及創建或更改電路或電子應用程序或組件設置,以使電負載的阻抗與電源或驅動源的阻抗匹配。 該電路經過設計或調整,以使阻抗看起來相同。




在查看包含傳輸線的系統時,有必要了解源,傳輸線/饋線和負載都具有特徵阻抗。 50Ω是RF應用的一種非常常見的標準,儘管在某些系統中偶爾會出現其他阻抗。


為了獲得從電源到傳輸線或從傳輸線到負載的最大功率傳輸,無論是電阻器,另一個系統的輸入還是天線,阻抗水平都必須匹配。

換句話說,對於50Ω系統,源或信號發生器的源阻抗必須為50Ω,傳輸線必須為50Ω,因此負載必須為XNUMXΩ。



當電力傳輸到傳輸線或饋線並且它向負載傳播時會出現問題。 如果存在不匹配,即負載阻抗與傳輸線的負載阻抗不匹配,則不可能傳輸所有功率。


由於功率不能消失,未傳輸到負載的功率必須在某處,然後沿著傳輸線返回到源。



當發生這種情況時,饋線中的前向波和反射波的電壓和電流根據相位在沿饋線的不同點處相加或相減。 以這種方式建立駐波。


可以通過一定長度的繩索來證明效果發生的方式。 如果一端自由而另一端向上移動,則可以看到波浪運動沿著繩索向下移動。 然而,如果固定一端,則建立駐波運動,並且可以看到最小和最大振動點。


當負載電阻低於饋線阻抗電壓並設置電流幅值時。 這裡負載點的總電流高於完全匹配的線路,而電壓則較小。



沿饋線的電流和電壓值沿饋線變化。 對於較小的反射功率值,波形幾乎是正弦波,但對於較大的值,它變得更像是全波整流的正弦波。 該波形由來自正向功率的電壓和電流加上來自反射功率的電壓和電流組成。



在距離負載四分之一波長的距離處,組合電壓達到最大值,同時電流處於最小值。 在離負載半波長的距離處,電壓和電流與負載相同。

當負載電阻大於饋線阻抗時會出現類似情況,但此時負載的總電壓高於完全匹配線的值。 電壓在距負載四分之一波長處達到最小值,電流達到最大值。 然而,在距負載半波長的距離處,電壓和電流與負載相同。



然後,當在線的末端放置開路時,饋線的駐波圖案類似於短路的駐波圖案,但電壓和電流模式反轉。



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6)什麼是反射能量?
當傳輸波碰到諸如無損傳輸線和負載之間的邊界之類的邊界時(請參見下面的圖1),一些能量將被傳輸到負載,並且一些能量將被反射。 反射係數將入射波和反射波關聯爲:

Γ= V- / V +(式1)

其中V-是反射波,V +是入射波。 VSWR通過以下方式與電壓反射係數(Γ)的大小有關:

VSWR =(1 + |Γ|)/(1 – |Γ|)(等式2)


圖1.傳輸線電路,說明了傳輸線和負載之間的阻抗失配邊界。 反射在由Γ指定的邊界處發生。 入射波為V +,反射波為V-。


VSWR可以直接用SWR表測量。 可以使用諸如矢量網絡分析儀(VNA)之類的RF測試儀器來測量輸入端口(S11)和輸出端口(S22)的反射係數。 S11和S22分別等效於輸入和輸出端口上的Γ。 具有數學模式的VNA還可以直接計算並顯示最終的VSWR值。


可以根據反射係數S11或S22計算輸入和輸出端口的回波損耗,如下所示:


RLIN = 20log10 | S11 | dB(等式3)

RLOUT = 20log10 | S22 | dB(等式4)


反射係數由傳輸線的特徵阻抗和負載阻抗計算得出,如下所示:


Γ=(ZL-ZO)/(ZL + ZO)(式5)


其中ZL是負載阻抗,ZO是傳輸線的特徵阻抗(圖1)。


VSWR也可以用ZL和ZO表示。 將公式5代入公式2,我們得到:


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


對於ZL> ZO,|| ZL-ZO | = ZL-ZO


因此:


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


因此:


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


上面我們指出,VSWR是相對於1的比率形式的規範,例如1.5:1。 VSWR有兩種特殊情況,∞:1和1:1。 當負載開路時,無窮比與無窮大之比發生。 當負載與傳輸線特性阻抗完全匹配時,1:1的比率就會發生。


VSWR由傳輸線上本身產生的駐波定義為:


VSWR = | VMAX | / | VMIN | (式8)

其中VMAX是駐波的最大振幅,而VMIN是駐波的最小振幅。 對於兩個疊加波,最大值在入射波和反射波之間產生相長干涉時發生。 從而:


VMAX = V + + V-(式9)


以獲得最大的建設性干擾。 最小振幅發生在相消干涉下,或者:

VMIN = V +-V-(式10)


將方程式9和10代入方程式8可得


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

將方程式1代入方程式11,我們得到:


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


公式12是本文開頭所述的公式2。


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4. VSWR計算器:如何計算VSWR? 


均勻傳輸線中駐波的電壓分量由疊加在反射波(振幅為Vr)上的正向波(振幅為Vf)組成。 反射是由於不連續而產生的,例如不連續的傳輸線中有缺陷,或者傳輸線以其特性阻抗以外的方式端接。


如果您對確定天線的性能感興趣,應始終在天線端子本身而不是在發射機的輸出端測量VSWR。 由於發射電纜中的歐姆損耗,會產生具有更好的天線VSWR的錯覺,但這僅僅是因為這些損耗會抑制天線端子處突然反射的影響。

由於天線通常位於距發射器一定距離的位置,因此需要一條饋線才能在兩者之間傳輸功率。 如果饋線沒有損耗,並且匹配發射器輸出阻抗和天線輸入阻抗,則最大功率將被傳遞到天線。 在這種情況下,VSWR將為1:1,並且電壓和電流在饋電線的整個長度上將保持恆定。


1)駐波比計算

回波損耗是入射波功率與反射波功率之比的dB量度,我們將其定義為負值。


回波損耗= 10 log(Pr / Pi)= 20 log(Er / Ei)

例如,如果負載的回波損耗為-10 dB,則將反射入射功率的1/10。 回波損耗越高,實際損耗的功率就越少。

失配損耗也是令人關注的問題。 這是由於反射而使發射功率衰減了多少的度量。 它由以下關係給出:


失配損耗= 10 log(1 -p2)


例如,從表#1中,VSWR為2:1的天線的反射係數為0.333,失配損耗為-0.51 dB,回波損耗為-9.54 dB(發射器功率的11%被反射回去) )


2)免費VSWR計算表


這是一個簡單的VSWR計算圖。 


始終記住VSWR應該大於1.0


VSWR 反射係數(Γ) 反射功率(%) 電壓損失
反射功率(dB)
回損
失配損耗(dB)
1
0.00 0.00 0 -無窮 無限 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


額外閱讀:天線中的VSWR



電壓駐波比(VSWR)表示天線和與其連接的饋電線之間的失配量。 這也稱為駐波比(SWR)。 VSWR的值範圍是1到∞。 


低於2的VSWR值被認為適合大多數天線應用。 天線可被描述為具有“良好匹配”。 因此,當有人說天線匹配不良時,通常意味著對於感興趣的頻率,VSWR值超過2。 


回波損耗是另一個令人關注的指標,在“天線理論”部分中有更詳細的介紹。 通常需要在回波損耗和VSWR之間進行轉換,並在表中列出了一些值以及這些值的圖表以供快速參考。


這些計算從何而來? 好吧,從VSWR的公式開始:



如果我們顛倒這個公式,我們可以從VSWR計算反射係數(或回波損耗s11):



現在,該反射係數實際上是根據電壓定義的。 我們真的很想知道正在體現多少力量。 這將與電壓的平方成正比(V ^ 2)。 因此,以百分比表示的反射功率將是:



我們可以簡單地將反射功率轉換為分貝:



最終,功率被反射或傳遞到天線。 傳送到天線的數量記為(),簡稱為(1- ^ 2)。 這稱為失配損耗。 這是由於阻抗不匹配而造成的功率損耗,我們可以很容易地計算出該功率:



這就是我們需要在VSWR,s11 /回波損耗和失配損耗之間來回切換的全部知識。 希望您度過了與我一樣的美好時光。


轉換錶– dBm到dBW和W(瓦)

在此表中,我們介紹了以dBm,dBW和Watt(W)為單位的功率值如何相互對應。

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 =分貝毫瓦
dBW =分貝瓦
MW =兆瓦
KW =千瓦
W =瓦特
mW =毫瓦
μW=微瓦
nW =納瓦
pW =皮瓦


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3)VSWR公式

此程序是用於計算電壓駐波比(VSWR)的小程序。

設置天線和發射機系統時,重要的是要避免系統中任何地方的阻抗失配。 任何不匹配都意味著一部分輸出波被反射回發射器,從而導致系統效率低下。 各種設備(例如,發射器,電纜和天線)之間的接口可能發生不匹配。 天線的阻抗通常為50歐姆(當天線尺寸正確時)。 發生反射時,電纜中會產生駐波。


VSWR公式 和反射係數:

式1
反射係數Γ定義為
式2
VSWR或電壓駐波比
公式
公式

伽瑪
ZL =負載(通常是天線)的歐姆值
Zo =傳輸線的特性阻抗,以歐姆為單位
西格瑪

假定ρ在0到1之間變化,則VSWR的計算值將從1到無窮大。

計算值
-1≤Γ≤1。
計算值
1或1:1的比例。
當值為“ -1”時。
意味著發生100%反射,並且沒有功率傳遞到負載。 反射波與入射波異相(反轉)180度。
開路

這是未連接天線的開路情況。 這意味著ZL是無限的,並且Zo項將在等式1中消失,留下Γ= 1(100%反射)和ρ= 1。


沒有功率被傳遞,並且VSWR將是無限的。
當值為“ 1”時。
意味著發生100%反射,並且沒有功率傳遞到負載。 反射波與入射波同相。
有短路

想像一下電纜的末端是否短路。 這意味著ZL為0,等式1將計算Γ= -1和ρ= 1。


沒有功率傳輸,VSWR是無限的。
當值為“ 0”時。
意味著沒有反射發生,所有功率都轉移到了負載上。 (理想)
使用正確匹配的天線。
連接正確匹配的天線後,所有能量都會轉移到天線並轉換為輻射。 ZL為50歐姆,等式1將計算出Γ為零。 因此,VSWR就是1。
N / A N / A 天線匹配不正確。
連接不正確匹配的天線時,阻抗將不再是50歐姆,並且會發生阻抗不匹配,並且部分能量會被反射回去。 反射的能量取決於失配的程度,因此VSWR會大於1。

當使用特性阻抗不正確的電纜時


用於將天線連接到發射器的電纜/傳輸線必須是正確的特性阻抗Zo。 


通常,同軸電纜為50歐姆(對於電視和衛星,為75歐姆),同軸電纜的值將打印在電纜本身上。 


反射的能量取決於失配的程度,因此VSWR將為大於1的值。


回顧:

什麼是駐波? 負載連接到傳輸線的末端,信號沿其流動並進入負載。 如果負載阻抗與傳輸線阻抗不匹配,則一部分行波會反射回源。


當發生反射時,它們會沿著傳輸線向下傳播,並與入射波合併以產生駐波。 重要的是要注意,最終的波看起來像靜止波,不會像正常波那樣傳播,也不會向負載傳遞能量。 該波具有最大振幅和最小振幅的區域,分別稱為波腹和波腹。


連接天線時,如果產生VSWR為1.5,則功率效率為96%。 當產生VSWR為3.0時,功率效率為75%。 在實際使用中,建議不要將VSWR超過3。


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5.如何測量駐波比-維基百科解釋
可以使用許多不同的方法來測量駐波比。 最直觀的方法是使用一條帶縫線,該帶縫線是傳輸線的一部分,帶有一個開放的縫隙,該縫隙使探頭可以檢測沿線的各個點上的實際電壓。 


這樣就可以直接比較最大值和最小值。 VHF和更高頻率下使用此方法。 在較低的頻率下,這樣的線不切實際地長。 定向耦合器可以通過微波頻率用於HF。 


有些是四分之一波或更長,這限制了它們在較高頻率下的使用。 其他類型的定向耦合器在傳輸路徑中的單個點處採樣電流和電壓,並以數學方式將它們組合起來,以表示在一個方向上流動的功率。


業餘操作中使用的常見SWR /功率計類型可能包含雙向耦合器。 其他類型使用單個耦合器,該耦合器可以旋轉180度以採樣沿任一方向流動的功率。 這種類型的單向耦合器可用於許多頻率範圍和功率水平,並為所使用的模擬儀表提供適當的耦合值。


使用可旋轉定向耦合器元件的定向功率計


定向耦合器測得的前向和反射功率可用於計算SWR。 可以通過數學方式以模擬或數字形式進行計算,也可以使用內置在儀表中的圖形方法作為額外的比例尺,或者通過讀取同一儀表上兩個指針之間的交叉點來進行計算。


上述測量儀器可以“在線”使用,也就是說,變送器的全部功率可以通過測量設備,從而可以連續監控SWR。 其他儀器,例如網絡分析儀,低功率定向耦合器和天線橋,都使用低功率進行測量,並且必須代替發射器進行連接。 橋接電路可用於直接測量負載阻抗的實部和虛部,並使用這些值得出SWR。 這些方法不僅可以提供SWR或正向和反射功率,還可以提供更多信息。[11] 獨立式天線分析儀使用各種測量方法,並且可以顯示隨頻率變化的SWR和其他參數。 通過結合使用定向耦合器和電橋,可以製造出可以直接讀取複數阻抗或SWR的在線儀表。[12] 也可以使用獨立的天線分析儀來測量多個參數。


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6。 經常問問題

1)導致高駐波比的原因是什麼?

如果VSWR太高,則可能有太多能量反射回功率放大器,從而損壞內部電路。 在理想的系統中,VSWR為1:1。 VSWR額定值較高的原因可能是負載使用不當或諸如傳輸線損壞之類的未知因素。


2)如何降低VSWR?

減少來自任何設備的輸入或輸出的反射信號的一種技術是在設備之前或之後放置一個衰減器。 衰減器將反射信號的衰減值減小兩倍,而發射信號則接收標稱衰減值。 (提示:為強調VSWR和RL對您的網絡的重要性,請考慮將性能從VSWR降低1.3:1到1.5:1-這是16 dB到13 dB的回波損耗的變化)。


3)是S11回波損耗嗎?

實際上,關於天線的最常引用的參數是S11。 S11表示從天線反射了多少功率,因此被稱為反射係數(有時寫為gamma或回波損耗。。。。)該接受的功率作為天線內的損耗而輻射或吸收。


4)為什麼要測量VSWR?

VSWR(電壓駐波比)是衡量射頻功率從電源通過傳輸線傳輸到負載(例如,從功率放大器通過傳輸線到天線)傳輸效率的度量。 。 在理想的系統中,100%的能量被傳輸。


5)如何解決高駐波比?

如果您將天線安裝在車輛較低的位置,例如保險槓上或皮卡車駕駛室後方,則信號可能會彈回到天線上,從而導致駐波比偏高。 為了減輕這種情況,請至少將天線的頂部12英寸保持在車頂線上方,並在車輛上盡可能高地放置天線。


6)什麼是好的VSWR閱讀?
最佳讀數可能是1.01:1(回波損耗為46dB),但通常低於1.5:1的讀數是可以接受的。 在理想環境之外,大多數情況下會出現1.2:1(20.8dB的回波損耗)的情況。 為確保讀數準確,最好將儀表連接到天線的底部。


7)1.5 SWR好嗎?
是的! 理想範圍是SWR 1.0-1.5。 當SWR為1.5-1.9時,仍有改進的餘地,但此範圍內的SWR仍應提供足夠的性能。 有時,由於安裝或車輛變量的原因,不可能使SWR低於此值。


8)如何在沒有儀表的情況下檢查我的SWR?
以下是在沒有SWR表的情況下調諧CB無線電的步驟:
1)找到干擾有限的區域。
2)確保您有其他收音機。
3)將兩個收音機調到同一頻道。
4)講一台收音機,聽另一台收音機。
5)移開一台收音機,並在聲音清晰時注意。
6)根據需要調整天線。


9)是否需要調整所有CB天線?
儘管不需要CB系統來進行天線調諧,但有許多重要原因使您必須始終調諧天線:改進的性能-正確調諧的天線將始終比未調諧的天線更有效地工作。


10)為什麼我說話時我的SWR上升?

SWR讀數高的最常見原因之一是錯誤地將SWR表連接到無線電和天線。 如果連接不正確,即使所有設備均已正確安裝,讀數也將被報告為極高。 請參閱有關確保正確安裝SWR表的文章。


7.最佳免費在線 2021年的VSWR計算器

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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