移動(dòng)通信中的駐波比詳解

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

只有負載阻抗與信號源阻抗完全匹配，才能最大化地把信號從信號源傳送到負載。對于基站系統，信號源就是發(fā)射機，負載就是天饋線(xiàn)子系統，天饋線(xiàn)子系統包括天線(xiàn)、饋線(xiàn)、射頻連接頭以及避雷器等附屬設備。如果負載和信號源不能做到完全匹配，部分信號就會(huì )反射回信號源，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Γ或者回波損耗RL計算出VSWR，在這里我們列出了反射系數Γ 、回波損耗RL以及VSWR的計算公式：

其中，

可接受的VSWR范圍

由于我們無(wú)法做到100%的負載和信號源阻抗匹配，總會(huì )有部分信號不可避免地被天線(xiàn)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的標準。通常我們把1.13:1 – 1.38:1 作為VSWR衡量標準。另外，回波損耗也可以作為一種衡量標準，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準。

當發(fā)射機到天線(xiàn)的發(fā)射通路上出現嚴重故障，會(huì )產(chǎn)生很低的回波損耗，比如射頻接頭松動(dòng)、天線(xiàn)故障、饋線(xiàn)損壞、避雷器擊穿以及濾波器/耦合器損壞，等等。這種嚴重的VSWR故障將會(huì )導致掉話(huà)、誤碼率升高以及小區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(guān)點(diǎn)來(lái)看，駐波比可以表示為：

SWR = (√Po + √Pr)/(√Po - √Pr)

Po：進(jìn)入天線(xiàn)系統的功率

Pr：從天線(xiàn)系統反射回來(lái)的功率

經(jīng)過(guò)運算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)駐波比測試儀基本上就是功率表，它可以量測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(xiàn)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(xiàn)上的電磁波由行波(向前傳輸的波)和反射波構成，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，駐波比的倒數可以定義為行波系數，它表示波行進(jìn)的狀態(tài)，行波系數越大，代表波越向前行進(jìn)。

圖 駐波和行波

什么叫匹配?

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

“匹配”，從功率的角度出發(fā)意味著(zhù)最大的輸出功率，即在供電電路中使負載阻抗等于電源內阻抗的共軛值(電阻相等，電抗大小相等，符號相反)，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(xiàn)的角度出發(fā)意味著(zhù)無(wú)損耗傳輸，即在應用于傳輸線(xiàn)時(shí)，使負載阻抗等于傳輸線(xiàn)的特性阻抗，稱(chēng)作“匹配”。匹配的目的是消除負載引起的反射，避免發(fā)生駐波，使負載獲取最大功率。

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

天線(xiàn)—駐波比

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

天線(xiàn)中的駐波比的定義：

VSWR=Umax/Umin

Umax--饋線(xiàn)上波腹電壓;

Umin--饋線(xiàn)上波谷電壓。

駐波比的產(chǎn)生，是由于入射波能量傳輸到天線(xiàn)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)適當的駐波比指標是要在損失能量的數量與制造成本之間進(jìn)行折中權衡的。

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

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

⑶ 在饋線(xiàn)輸入端A，失配嚴重時(shí)，發(fā)射機T的輸出功率達不到設計額定值。但是，現代發(fā)射機輸出功率允許在一定失配情況下如(VSWR《1.7或2.0)達到額定功率。

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%