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驻波比(SWR)科普

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电压驻波比是射频领域中一个重要的参数,用于衡量传输线与天线的匹配程度。驻波比反映了传输线上波的反射情况,当驻波比等于1时,表示馈线和天线的阻抗完全匹配,能量全部被天线辐射出去,没有能量反射。简单来说,驻波比(Standing Wave Ratio,简称SWR,通常指电压驻波比VSWR)是衡量射频(RF)传输系统(如天线、电缆、发射机)中阻抗匹配程度的一个关键指标。它告诉我们:你发送出去的能量,有多少被高效地辐射出去了,又有多少因为“碰壁”被反射了回来。驻波比越大,表示信号反射程度越高,匹配越差,可能导致信号强度损失,进而影响通信质量。通过测量驻波比,可以及时了解系统的工作状态,针对性地进行调整和优化,确保系统的正常运行。过高的驻波比可能导致天线或发射台损坏,因为反射的电波可能产生高电压。驻波比与回波损耗(Return Loss)是衡量信号传输质量的两个重要指标,它们共同反映了信号在传输过程中的反射情况。测试电压驻波比通常使用矢量网络分析仪(VNA),通过校准和设置合适的输出信号大小,可以准确测量输入电压驻波比!早期驻波比要求的线材主要用于Notebook,移动电话,GPS,量测仪器,蓝牙技术等,目前的应用开始往消费电子周边延展。


驻波比的物理学中的定义

电压驻波比为英文Voltage Standing Wave Ratio的简写;是指反射波比入射波叠加结果在线缆上形成驻波,造成射线各点的电压和电流的振幅不同,以Z/2的週期变化,我们定义相邻的波峰点与波谷点的电压振幅之比,称之为电压驻波比“VSWR”,一般我们用NA来量测。应用在线缆上面非书本上的定义来说,VSWR是衡量传输线上驻波情况的一个定义。它定义为在无损耗的传输线上,电压最大值点的电压和最小值点电压的比值。虽然在传输线上电流也满足同样的关系,但测量电压总比测量电流要来得简单。


驻波比是一个比值,通常写成 。如果天线的阻抗匹配和发射机以及馈线的阻抗是匹配的,那么测量到的VSWR应该是1:1也即1。而当阻抗不能完全匹配的时候,VSWR可能为2:1甚至5:1以上。

驻波比数值

匹配情况

含义

1.0 : 1完美匹配

理想状态。所有能量都传输过去了,零反射。

1.1 - 1.5优秀

极佳的性能,损耗微乎其微。

1.5 - 2.0合格/良好

大多数无线电通信系统的标准要求,可以接受。

较差

损耗开始显著,可能影响通信距离。

> 3.0危险

大量能量反射回发射机,可能导致设备过热甚至烧毁功率管。

驻波比于线缆上面应用的定义

驻波比可以说就是一个数值,用来表示天线和电波发射台是否匹配,如果 SWR 的值等于 1, 则表示发射传输给天线的电波没有任何反射,全部发射出去,这是最理想的情况。如果 SWR 值大于 1, 则表示有一部分电波被反射回来,最终变成热量,使得馈线升温。被反射的电波在发射台输出口也可产生相当高的电压,有可能损坏发射台.如果你对背后的公式感兴趣,驻波比定义为传输线上电压最大值与电压最小值之比:

其中 (Gamma)是反射系数,这只是理论上的计算公式。

由于我们无法做到100%的负载和信号源阻抗匹配,总会有部分信号不可避免地被天线反射回来,所以需要确定一个VSWR范围作为衡量可接受的VSWR的标准。通常我们把1.13:1 – 1.38:1 作为VSWR衡量标准。另外,回波损耗也可以作为一种衡量标准,前向功率与反向功率的比值就是回波损耗,如果已知40dBm的前向功率和20dBm的反向功率,那么我们可以计算出回波损耗是20dB,如果已知基站的输出功率是20W、回波损耗是16dB,那么我们可以计算出反射功率是0.5W。通常我们把16 –24dB作为回波损耗的衡量标准。

当发射机到天线的发射通路上出现严重故障,会产生很低的回波损耗,比如射频接头松动、天线故障、馈线损坏、避雷器击穿以及滤波器/耦合器损坏,等等。这种严重的VSWR故障将会导致掉话、误码率升高以及小区覆盖半径变小等故障。


负载等于参考电压驻波比=1,测试图形(驻波比)

为什么线缆会有驻波比的概率和如何改善?

当信号在传输线上传播的时候,由于生产制造制程不稳定因素的影响,信号在阻抗不均匀的地方会形成反射,这时传输线上会同时存在反射波和入射波,在入射波和反射波相位相同的地方电压振幅相加为最大电压振幅Vmax,而在入射波与反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Vmin,最大电压振幅Vmax与最小电压振幅Vmin的比值就称为电压驻波比。


理论上的计算公式


一般在传输线上的电磁波由行波(向前传输的波)和反射波构成,驻波比就是反映波停留的状态,如驻波比越大,波就越停留在原地,如果驻波比无穷大,就代表波是停留在原地.相反地,驻波比的倒数可以定义为行波系数,它表示波行进的状态,行波系数越大,代表波越向前行进。


由于我们无法做到100%的负载和信号源阻抗匹配,导体或者芯线没办法保证完全没有公差OD的差异,所以总会有部分信号不可避免地被天线反射回来,所以需要确定一个VSWR范围作为衡量可接受的VSWR的标准。通常我们把1.13:1 – 1.38:1 作为VSWR衡量标准。另外,回波损耗也可以作为一种衡量标准,前向功率与反向功率的比值就是回波损耗,如果已知40dBm的前向功率和20dBm的反向功率,那么我们可以计算出回波损耗是20dB,如果已知基站的输出功率是20W、回波损耗是16dB,那么我们可以计算出反射功率是0.5W。通常我们把16 –24dB作为回波损耗的衡量标准。一句话总结:驻波比越接近1.0,说明你的天线系统匹配得越好,能量浪费越少,设备越安全。

驻波比的改善方式

应用在实际Cable生产上的参数特性及举例说明(制程参数的影响因数)

导体OD的稳定性和光洁度

芯线OD的稳定性及同心度的大小

对绞节距的稳定性,绞距过小,导致导体变形引起阻抗波动.

机台的不稳定性,引起阻抗不稳定

导体均匀性﹑绝缘均匀性﹑发泡度均匀性﹑结构尺寸均匀性

1) 导体直径不均匀﹑导体有弯﹑导体不圆﹔

2) 绝缘芯线偏心﹑椭圆﹑线径不均匀﹔

3) 发泡度不均匀﹔

4) 编织与外被的松紧也可引起回波的产生﹔工艺改善: 芯线制做均匀,导体圆整度,绝缘偏心度,收放线张力稳定.

制程关键点﹕

导体外径不稳定---驻波比差

芯线外径不稳定---驻波比差

同心度不稳定------驻波比差

设计关键点﹕

阻抗.回路损失阻抗不稳定----驻波比差

回路损失偏小—驻波比差

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