射频（RF）传输线路中的阻抗不匹配会导致功率损耗和反射能量。为了测量传输线缺陷，我们使用电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）。本教程将对VSWR进行定义，并解释其计算方法。此外，我们还将介绍一种天线驻波比监测系统。
1. 什么是电压驻波比（VSWR）？
VSWR代表电压驻波比。要理解这个术语，首先需要了解“驻波”的概念。假设有两个波长相同且方向相反的波同时传播，如下图所示：
驻波现象
其中，蓝线表示一个波以正确的方向旋转，绿线表示另一个波以相反的方向旋转。这两个波叠加后得到红线，这种叠加波在时间上只有幅度变化，而没有相位变化。简单来说，振幅为零的节点位置永远不会改变。由于节点位置保持不变，红色波看起来好像停留在同一位置，即“驻波”。
2. 驻波比的定义与意义
电压驻波比（VSWR）定义为射频（RF）电气传输系统中发射和反射电压驻波之间的比值。它是衡量RF功率从电源通过传输线传输到负载的效率的指标。例如，我们可以考虑将功率放大器通过传输线连接到天线的情况。
因此，驻波比是透射波和反射波之间的比率。高驻波比表示传输线效率较低且反射能量较高，这可能会损坏发射器并降低其效率。由于驻波比通常用电压比来表示，因此也称为电压驻波比（VSWR）。
3. 驻波比与系统效率
在理想的系统中，100%的能量从功率放大器传输到负载。这要求源阻抗（包括传输线及其连接器的特性阻抗）与负载阻抗完全匹配。信号的交流电压在整个传输过程中保持一致，不受任何干扰。
然而，在实际系统中，阻抗不匹配会导致部分功率反射回源端，形成回波。这些反射会导致相位相长和破坏性干扰，使得沿传输线的电压出现峰值和谷值，并随着传输线的长度和距离而变化。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传输线上任意点的最高电压与最低电压之间的比值。
在理想系统中，电压不会发生变化，因此其驻波比为1.0（或更常用的表示为1：1的比率）。当发生反射时，电压发生变化，VSWR增加，例如1.2（或1.2：1）。VSWR的增加与传输线（以及整体发射器）效率的降低相关。
反射能量
当电磁波遇到无损传输线和负载之间的边界时，一部分能量将传输到负载，而另一部分能量则会被反射回来。我们可以通过反射系数来描述入射波和反射波之间的关系，其定义如下：
Γ = Vr / Vi (公式1)
其中Vr表示反射波的电压，Vi表示入射波的电压。电压驻波比（VSWR）与电压反射系数（Γ）的大小有关，可以用以下公式表示：
VSWR = (1 + |Γ|) / (1 - |Γ|) (公式2)
反射发生在反射系数Γ指定的边界处。驻波比就是对这种反射进行测量的方法。矢量网络分析仪（VNA）等射频测试设备可以用于测量输入端口（S11）和输出端口（S22）的反射系数。S11和S22分别对应于输入端口和输出端口的Γ。具备数学模式的VNA还可以直接计算和显示驻波比的值。
通过反射系数S11或S22，我们可以计算出输入和输出端口的回波损耗（Return Loss），如下所示：
RLin = 20log10|S11|（公式3）
RLout = 20log10|S22|（公式4）
反射系数Γ可以通过传输线的特性阻抗和负载阻抗来计算，公式如下：
Γ = (ZL - Z0) / (ZL + Z0)（公式5）
其中，ZL表示负载阻抗，Z0表示传输线的特性阻抗。驻波比也可以用ZL和Z0来表示。将公式5代入公式2，我们可以得到以下形式的驻波比公式：
VSWR = (ZL + Z0 + |ZL - Z0|) / (ZL + Z0 - |ZL - Z0|)（公式6）
对于ZL > Z0，|ZL - Z0| = ZL - Z0，则上述公式可以简化为：
VSWR = (ZL + Z0 + ZL - Z0) / (ZL + Z0 - ZL + Z0) = ZL / Z0（公式7）
对于ZL < Z0，|ZL - Z0| = Z0 - ZL，则上述公式可以简化为：
VSWR = (ZL + Z0 + Z0 - ZL) / (ZL + Z0 - Z0 + ZL) = Z0 / ZL（公式8）
如上所述，驻波比以相对于1的比率形式给出，例如1.5：1。驻波比有两种特殊情况，即无穷大：1和1：1。当负载为开路时，驻波比将无穷大；当负载与传输线特性阻抗完全匹配时，驻波比为1：1。
驻波比定义了由传输线产生的驻波现象。它可以通过以下公式计算：
VSWR = |Vmax| / |Vmin|（公式9）
其中Vmax是驻波的最大振幅，Vmin是驻波的最小振幅。对于两个叠加波，最大值发生在入射波和反射波之间的相长干涉下。因此，我们有：
Vmax = V + Vr（公式10）
将等式9和10代入等式8得到
VSWR = V+(1 + |Γ|)/(V+(1 - |Γ|) = (1 + |Γ|)/(1 – |Γ|) （公式11）
将等式 1 代入等式 11，我们得到：
驻波比 = V（1 + |Γ|）/（V（1 - |Γ|） = （1 + |Γ|）/(1 – |Γ|)++ （公式12）
等式 12 是本文开头所述的等式 2。
驻波比监测系统
MAX2016是一款双路对数检波器/控制器，适用于监测天线与环行器以及衰减器之间的驻波比/回波损耗。它通过输出两个功率检测器之间的差值来实现监测功能。
为了构建一个完整的VSWR（驻波比）监测系统，可以将MAX2016与MAX5402数字电位器和MAX1116/MAX1117 ADC相结合（见图2）。数字电位器利用MAX2016的基准电压输出充当分压器。基准电压通常可提供2mA电流，并设置内部比较器（引脚CSETL）的阈值电压。当输出电压超过阈值时（引脚COUTL），可以触发报警信号。MAX1116 ADC需要2.7V至3.6V电源，而MAX1117 ADC则需要4.5V至5.5V电源。ADC还可以使用MAX2016提供的外部基准电压。通过与微控制器配对，ADC可以持续监测天线的驻波比情况。
总结一下，本文介绍了驻波比或VSWR作为测量传输线缺陷和效率的一种方法。驻波比与反射系数密切相关，较高的比率表示较大的不匹配，而1：1的比率表示完全匹配。驻波比的匹配程度取决于驻波的最大和最小振幅。MAX2016提供了一个示例，展示了如何创建系统来监测天线的驻波比情况。
