VSWR及其對功率放大器的影響

VSWR –電壓駐波比是源（放大器）和負載（測試應用）之間的阻抗不匹配而產生的結果。 這種不匹配會影響信號源的性能。 VSWR不是一個很難理解的概念，但是它對儀器的影響可能更難以實現。 在本文中，Exodus Advanced Communications專注於RF /微波高功率放大器以及它們如何應對這一常見的物理問題。 放大器有時需要建立保護措施，以保護自身免受損壞。 首先，讓我們了解VSWR。

大多數射頻和微波系統均基於規定的阻抗，通常為50Ω。 射頻測試系統中的儀器和組件將被設計為盡可能保持該阻抗。 這允許可預測的已知功率傳遞。 理想情況下，一切都將精確地為50Ω，但是眾所周知，生活在現實世界中存在差異。 如果儀器覆蓋數十年的廣泛頻率範圍，則保持理想的50Ω阻抗將變得更具挑戰性。 一定水平的VSWR是不可避免的。

VSWR由以下公式計算： 

這是阻抗差異的簡單比率。 阻抗（ZL）越大，阻抗（ZO）越小。 50Ω/ 50Ω= 1是理想的結果。 它可以自己編寫，並且沒有單位，或者在某些情況下是成比例的；例如， 2：1、4：1或10：1。 阻抗失配越大，VSWR越大。 大型VSWR或小型VSWR是什麼結果？ 以下公式顯示了一種了解VSWR的不同方法，該方法可以了解正向和反向（或反射）功率：

該方程式引入了功率，這使我們現在可以進一步了解失配會導致功率反射回放大器。 反射功率是負載未傳輸或接收的功率損耗。 失配會降低系統的輸出功率和效率。 人們應該盡量減少功率損耗。

失去的力量反映在哪裡？ 從牛頓的能量守恆定律中我們知道它必須走到某個地方。 它最終回到放大器。 因此，放大器必須處理反射回它的反射功率。 反射的能量會產生一個駐波，其中包含輸出+反射。 從無窮大VSWR的最壞情況來看，這是在放大器輸出或負載開路或短路的情況下發生的。 無限的VSWR會引起100％的反射，這會使電壓加倍，從而對所有內部組件施加壓力。 應力可以表現為散熱或更高的電壓，該更高的電壓會推動電壓擊穿極限。

放大器必須能夠處理多少反射功率？ 這取決於不匹配的大小。 為此，我們需要了解大多數測試應用程序中的典型情況。 在大多數應用中，放大器，負載和設置是穩定的，並且採用最低的駐波比設計，通常保持在2：1以下。 可以反映10％的功率。 10％+ 100％的預期功率= 110％可能需要消耗的總功率。

這些系統的示例通常是窄帶發射機，其中與寬帶應用相比，設計天線或傳輸線要容易一些。 但是，在有些應用中可以看到超過2：1的比例。 高VSWR通常是由於在非常寬帶，高功​​率且匹配不良的負載下進行測試所致。 最好盡可能避免這種情況，但是，有時這種情況是不可避免的，因為仍然必須進行測試。 下圖顯示了VSWR與反射功率的關係。

上圖顯示，隨著VSWR的增加，損耗的功率也隨之增加。 在VSWR為6：1的情況下，50％的功率由於浪費的能量而損失，可能需要更大的放大器來補償過多，從而增加測試應用的成本。

負載可能具有較高VSWR的應用示例：低頻（<100MHz）寬帶，針對輻射抗擾度和傳導抗擾度的EMC測試，可能不知道負載的實驗，或者負載發生故障或損壞的情況。 應注意使阻抗更好地匹配，並且所有儀器都可以處理VSWR。 請記住，整個頻率範圍內的駐波比是不同的。 較高的VSWR級別表示設置不佳。 應該採取措施改善阻抗匹配。

改善VSWR

最好從VSWR額定值低的高質量組件，互連，同軸電纜和負載/傳感器開始。 如果您必須使用具有較高VSWR的負載/傳感器，並且需要改善放大器所看到的VSWR，該怎麼辦？ 改善VSWR的最常見方法是使用衰減器，有時也稱為PAD。 添加到負載/傳感器輸入的3dB PAD改善了匹配度。 使用（BCI）大電流注入探頭和（Bi-Con）雙圓錐形天線進行測試時，會多次使用此方法。

不利的一面是傳送了3dB或½的功率。 500瓦現在變成250瓦。 一種替代方法是擁有一個匹配網絡，該網絡可以轉換設計中的多種變化，它們僅匹配其設計的負載，並且可能會限制阻抗。 因此損失的功率比衰減器少。 匹配網絡在頻率範圍內更多。 由於這個原因，匹配網絡不容易獲得。


放大器如何處理VSWR？

在放大器的設計中可以採用某些技術來處理更高級別的VSWR。 大多數放大器可以處理2：1 VSWR，因為這是非常常見的失配。 許多放大器規格的最壞情況下的輸出額定值為2：1，因此它必須能夠保護自己免受50Ω負載的影響。 固態放大器通常具有比其更好的魯棒性，可能會在不損壞短路和斷路的情況下工作，同時保持完整的正向功率。

將全部功率驅動到負載中可能會提出不安全的測試設置，因為通常較高的VSWR表示測試設置有損壞或錯誤的跡象。 隨著功率水平從100瓦以上增加到1kW，進一步，越來越難以構建一個放大器來處理無限的VSWR或100％的反射功率。 有時人們認為，甲類放大器在本質上可以比乙類放大器更好地處理VSWR。 不一定是這種情況。 魯棒性超出了放大器所偏向的等級，並且與電路設計有更多關係。 但是，如果設計不能處理高VSWR，則可以實施其他保護措施。

放大器保護

主動保護–有多種形式。 許多放大器將具有基本的電路保護功能，例如過熱和電流保護。 這些有助於保護放大器免受高VSWR的影響，但這不是使用它們的主要原因。 為了保護免受VSWR的影響，通常會監視輸出功率和反射功率，並捆綁一個保護環路。建立了兩種不同的方法：

關斷–如果測量到較高的反向功率（或VSWR），則放大器將關斷，並顯示錯誤消息，指示故障。 製造商將此設置為放大器的安全反射功率水平。 一旦清除故障條件，便可以再次使用該放大器。
折返–如果監視到高反向功率，則放大器會降低其內部增益，從而降低輸出。 這樣可以限制反向功率超過閾值，使放大器保持工作狀態，但可以防止故障。
非有源保護–可以實施以降低放大器成本，因為該設置幾乎沒有或沒有很高的VSWR的機會。 或者在放大器足夠堅固以應對高VSWR的情況下，因此不需要有源保護。 這樣的一個例子是循環器保護。 循環器可防止反射的功率返回源，並且可用於某些頻率範圍和功率水平。 這些通常不適用於<100MHz的寬帶應用。

結論

知道和理解以預測性能對於了解射頻設置中的VSWR電平至關重要。 高VSWR是取決於應用的相對術語。 在絕大多數放大器應用中，2：1是正常的。 大於6：1或什至大於4：1應該被認為是高的。 隨著功率增加至500瓦以上，高VSWR成為所有放大器的壓力所在。 儘管可能會說明放大器的規格； “它可以承受所有VSWR水平而不會損壞”，並不意味著它對儀器沒有壓力。 在這種高VSWR條件下長時間暴露會產生破壞作用。 應注意正確使用放大器，並保持匹配的測試設置。 這將延長儀器的壽命和設備投資。

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