移動(dòng)通信中的駐波比詳解

駐波比(VSWR)用來(lái)檢測(cè)天饋線系統(tǒng)、射頻接頭以及所有的連接到基站的射頻設(shè)備的工作狀態(tài)。VSWR過(guò)高會(huì)導(dǎo)致掉話(huà)、高誤碼率，而且由此引入的發(fā)射/接受功率的衰減會(huì)導(dǎo)致小區(qū)覆蓋半徑縮小。

只有負(fù)載阻抗與信號(hào)源阻抗完全匹配，才能最大化地把信號(hào)從信號(hào)源傳送到負(fù)載。對(duì)于基站系統(tǒng)，信號(hào)源就是發(fā)射機(jī)，負(fù)載就是天饋線子系統(tǒng)，天饋線子系統(tǒng)包括天線、饋線、射頻連接頭以及避雷器等附屬設(shè)備。如果負(fù)載和信號(hào)源不能做到完全匹配，部分信號(hào)就會(huì)反射回信號(hào)源，這是我們所不希望的，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生前向波和反向波，這兩個(gè)信號(hào)組合在一起就形成了駐波。駐波比(VSWR)是指駐波的最大電平和最小電平的比值，它的大小從1:1(完全匹配)到∞。

圖 由于阻抗不完全匹配導(dǎo)致的反向波的產(chǎn)生

圖 波到介質(zhì)介面時(shí) 部分反射

我們可以通過(guò)反射系數(shù)Γ或者回波損耗RL計(jì)算出VSWR，在這里我們列出了反射系數(shù)Γ 、回波損耗RL以及VSWR的計(jì)算公式：

其中，

可接受的VSWR范圍

由于我們無(wú)法做到100%的負(fù)載和信號(hào)源阻抗匹配，總會(huì)有部分信號(hào)不可避免地被天線反射回來(lái)，所以需要確定一個(gè)VSWR范圍作為衡量可接受的VSWR的標(biāo)準(zhǔn)。通常我們把1.13:1 – 1.38:1 作為VSWR衡量標(biāo)準(zhǔn)。另外，回波損耗也可以作為一種衡量標(biāo)準(zhǔn)，前向功率與反向功率的比值就是回波損耗，如果已知40dBm的前向功率和20dBm的反向功率，那么我們可以計(jì)算出回波損耗是20dB，如果已知基站的輸出功率是20W、回波損耗是16dB，那么我們可以計(jì)算出反射功率是0.5W。通常我們把16 –24dB作為回波損耗的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)發(fā)射機(jī)到天線的發(fā)射通路上出現(xiàn)嚴(yán)重故障，會(huì)產(chǎn)生很低的回波損耗，比如射頻接頭松動(dòng)、天線故障、饋線損壞、避雷器擊穿以及濾波器/耦合器損壞，等等。這種嚴(yán)重的VSWR故障將會(huì)導(dǎo)致掉話(huà)、誤碼率升高以及小區(qū)覆蓋半徑變小等故障。

從功率的角度看駐波比

若以功率的觀點(diǎn)來(lái)看，駐波比可以表示為：

SWR = (√Po + √Pr)/(√Po - √Pr)

Po：進(jìn)入天線系統(tǒng)的功率

Pr：從天線系統(tǒng)反射回來(lái)的功率

經(jīng)過(guò)運(yùn)算SWR 與 Pr/Po (反射功率百分比)的關(guān)系如下：

Pr/Po = [(SWR-1)/(SWR+1)]^2

其實(shí)駐波比測(cè)試儀基本上就是功率表，它可以量測(cè)輸入功率及反射功率

什么叫駐波?

兩列振幅相同的相干波在同一直線上沿相反方向傳播時(shí)互相疊加而成的波，稱(chēng)為駐波。

特點(diǎn)：波谷和波峰保持不動(dòng)，波形不向前傳播，僅在平衡位置振動(dòng);波形在空間不移動(dòng)。

一般在傳輸線上的電磁波由行波(向前傳輸?shù)牟?和反射波構(gòu)成，駐波比就是反映波停留的狀態(tài)，如駐波比越大，波就越停留在原地，如果駐波比無(wú)窮大，就代表波是停留在原地。相反地，駐波比的倒數(shù)可以定義為行波系數(shù)，它表示波行進(jìn)的狀態(tài)，行波系數(shù)越大，代表波越向前行進(jìn)。

圖 駐波和行波

什么叫匹配?

移動(dòng)通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)、天線、饋線、射頻連接頭以及避雷器等附屬設(shè)備需要用電纜和接插件把這些設(shè)備部件連接起來(lái)，只有正確連接，方可保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常。在一般情況下，人們往往都更注重天線的方向、仰角、極化、頻率的選取等步驟，安裝調(diào)試步驟中往往忽視設(shè)備之間的連接，這些設(shè)備部件連接時(shí)從始至終都應(yīng)遵循“匹配”這一條原則。

“匹配”，從功率的角度出發(fā)意味著最大的輸出功率，即在供電電路中使負(fù)載阻抗等于電源內(nèi)阻抗的共軛值(電阻相等，電抗大小相等，符號(hào)相反)，稱(chēng)作“匹配”。匹配的目的在于得到最大的輸出功率。 從傳輸線的角度出發(fā)意味著無(wú)損耗傳輸，即在應(yīng)用于傳輸線時(shí)，使負(fù)載阻抗等于傳輸線的特性阻抗，稱(chēng)作“匹配”。匹配的目的是消除負(fù)載引起的反射，避免發(fā)生駐波，使負(fù)載獲取最大功率。

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，諸多的地方需要匹配。接收天線必須同發(fā)射天線有相同的極化，且旋向相同，以實(shí)現(xiàn)極化匹配接收全部能量。凡是饋線連接的各個(gè)部位及各部件間的連接都需要達(dá)到匹配。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中只要有不匹配的地方出現(xiàn)，使信號(hào)在部件中間、饋線間產(chǎn)生反射，從而使信號(hào)質(zhì)量下降、噪聲增加。因此對(duì)安裝調(diào)試使用者而言，需要規(guī)規(guī)矩矩的做好每一步，確保系統(tǒng)匹配。

天線—駐波比

天線駐波比的意義表示天饋線與基站(收發(fā)信機(jī))匹配程度的指標(biāo)。

天線中的駐波比的定義：

VSWR=Umax/Umin

Umax--饋線上波腹電壓;

Umin--饋線上波谷電壓。

駐波比的產(chǎn)生，是由于入射波能量傳輸?shù)教炀€輸入端B未被全部吸收(輻射)、產(chǎn)生反射波，迭加而形成的。

VSWR越大，反射越大，匹配越差。

那么，駐波比差，到底有哪些壞處?在工程上可以接受的駐波比是多少?一個(gè)適當(dāng)?shù)鸟v波比指標(biāo)是要在損失能量的數(shù)量與制造成本之間進(jìn)行折中權(quán)衡的。

⑴ VSWR》1，說(shuō)明輸進(jìn)天線的功率有一部分被反射回來(lái)，從而降低了天線的輻射功率;

⑵ 增大了饋線的損耗。7/8“電纜損耗4dB/100m，是在VSWR=1(全匹配)情況下測(cè)的;有了反射功率，就增大了能量損耗，從而降低了饋線向天線的輸入功率;

⑶ 在饋線輸入端A，失配嚴(yán)重時(shí)，發(fā)射機(jī)T的輸出功率達(dá)不到設(shè)計(jì)額定值。但是，現(xiàn)代發(fā)射機(jī)輸出功率允許在一定失配情況下如(VSWR《1.7或2.0)達(dá)到額定功率。

駐波比與反射功率的關(guān)系如下。

可見(jiàn)，不一定追求1.1以下的駐波比，一般1.5一下也足夠了，96%的都發(fā)射出去了。

駐波比 反射率

1.0 0.00%

1.1 0.23%

1.2 0.83%

1.3 1.70%

1.5 4.00%

1.7 6.72%

1.8 8.16%

2.0 11.11%

2.5 18.37%

3.0 25.00%

4.0 36.00%

5.0 44.44%

7.0 56.25%

10 66.94%

15 76.56%

20 81.86%