驻波检测理论分析

驻波检测理论分析

电压驻波比介绍

电压驻波比（VSWR）为英文Voltage Standing Wave Ratio 的简写。电压驻波

比产生的原因主要是由于在系统或者电路中存在阻抗不匹配，在无线电通信中，由于天线与馈线的阻抗不匹配或天线与发信机的阻抗不匹配，高频能量就会产生反射折回，并与前进的部分干扰汇合发生驻波。为了表示和测量天线系统中的驻波特性，也就是天线中正向波与反射波的情况，人们建立了“驻波比”(Standing Wave Ratio)

这一概念，驻波比的全称是电压驻波比。

当两个阻抗数值一样时，即达到完全匹配，反射系数Γ等于0，驻波比为1。这

是一种理想的状况，实际上总存在反射，所以驻波比总是大于1 的。理想的比例为1:1 ，即输入阻抗相等于传输线的特性阻抗, 但几乎不可能达到，如果当VSWR 1.25:1 时，反射功率大概为1.14 %，当VSWR 1.5:1 反射功率为4.06 %，当VSWR 1.75:1 时，反射功率为7.53 %，由这个数字我们可以知道, 驻波比越大, 反射功率越高。

在射频系统阻抗匹配中,特别要注意要使电压驻波比达到一定要求，在移动通信

系统中，一般要求驻波比小于1.5，一样一般可以保证通信系统的良好工作。同时，因为在宽带运用时频率范围很广，驻波比会随着频率而变，所以应使阻抗在宽范围内尽量匹配。

电压驻波比对系统性能的影响

随着驻波比的恶化，有效传输的功率将会减少，这是由于理想的

阻抗匹配(VSWR=1:1)可以使功率无损传输，而严重的阻抗失配(高VSWR)将导致传输到负载的功率减少。

高的VSWR可能引起多种系统问题，其中对VSWR最为敏感的器件是功率放大

器，因为其输出功率较大可能达到200 瓦左右，导致很大的功率反射，从而造成无线

电装置的工作范围缩小、发射信号使接收部分饱和。更为严重的影响是损坏发射机并

且击穿传输电介质。同时由于天线上反射回的信号在功率放大器处再次反射，然后重

新发射出去，导致了类似多径现象，因此高VSWR可能引起基站系统的遮蔽衰落

VSWR 值很高也有可能会损坏天馈系统，反射波在天线和发射机之间来回反复时

会丧失一部分能量而转化为热能损耗了，这一部分热量增加了馈线对热损耗的承受能

力，会产生破坏作用。在特殊的情况下，很高的VSWR 会引起高电压在馈线的连接处

产生电弧，特别是连接点接触不好和长久失修生锈的地方，电弧若穿过馈线绝缘体的

连接处或绞合处，则会降低该处的耐压参数，该地方会被以后更低的电弧击穿，因而

很高的VSWR 会破坏天馈线系统的技术指标，减少天线系统的使用年限。

我们可以看出驻波比对基站系统是一个很重要的指标，驻波比的好坏会直接影响

到基站天线系统的性能和运行寿命，这也是各个设备提供商都将驻波比检测作为双工

器或者作为一个独立检测单元配备到基站系统中的一个主要原因，这样可以对整个天

线系统的驻波比实现不间断的监测，如果由于某些原因（如：馈线断裂，天线故障等）

导致天线系统的驻波比低于告警范围，可以在第一时间将告警信息发送个基站控制

台，运行维护技术人员可以根据相应的信息尽快的排除故障来保证系统的运行。

应用定向耦合器对电压驻波比的检测及其问题的研究

也正是由于驻波比检测是基站系统中一个很重要的功能，而且通过对驻波比的监

测可以及时地发现天线系统的故障。现有的检测方法主要是通过定向耦合器来实现的，通过两个定向耦合器分别对前向和

反向功率进行检测后，再对检测到的数据进行处理和计算，从而可以实现对驻波比的

监测。

为我们知道，当已知反射系数Γ时，可以计算电压驻波比，因而接下来的问题

是如何检测反射系数。如图 1.4 所示安置在功率源和负载之间的定向耦合器，用于对

负载的入射波和反射波进行隔离和采样，由于耦合器的定向性，反射系数Γ等于入射

波与反射波的比值，如下式所示。因此，在理论上我们可以通过检测出反射波和入射

波，求得反射系数Γ，然后再计算出电压驻波比

图1.3 是一个电压驻波比检测模块的系统框图，前向耦合和反向耦合端口的检测

功率通过一个射频开关电路切换到带通滤波器滤除噪声后送人对数检波器，射频信号被转换成功率电平输出，然后送人单片机进行相关计算。射频开关的使用可以共享后

端信号处理单元从而从设计上节省了材料成本。

定向耦合器介绍

定向耦合器可以采用同轴线、带状线、微带线、金属波导或介质波导等各种

型式。小站主要微带耦合器。

微带定向耦合器要的技术指标有方向性、驻波比、耦合度、插入损耗。

如图2.4 所示其信号输入端（Port-1，Input Port）的功率为P1，信号传输端

（Port-2，Transmission Port）的功率为P2，信号耦合端（Port-3，Coupling Port）的功率为P3，而信号隔离端（Port-4，Isolation Port）的功率为P4。若P1、P2、

P3、P4 皆用毫瓦（mW）来表示，则定向耦合器的四个主要参数可以定义为：

定向耦合器的方向性及其对检测精度的影响

如图2.5 所示，灰色阴影部分是当使用方向性为20dB 和30dB 的定向耦合器测量

回波损耗时的误差范围比较。

假如使用一个方向性为20dB的定向耦合器来测量一个回波损耗为15dB的部件

时，测量的不确定值范围是从-4dB到+7dB，意思就是说可能得到的测量值是从11.1dB

到22.2dB之间，读数的具体值依赖于测量信号的相位和反射信号相位的相关性。而且当尝试着去测量一个回波损耗几乎等于耦合器方向性的部件的时候, 这种

误差会变得很大，公式(1)是一个对回波损耗测量误差的相似估计。

定向耦合器的方向性一般无法直接测量得到，因为它含有一个低电平信号，这个

信号能被在直通方向上的反射波耦合出的功率所掩盖，例如，假定有一个耦合度C

为20dB 和方向性D 为35dB 的耦合器，接有一个负载，其回波损耗RL 为30dB，通过方向性通道的信号电平将低于输入功率D+C=55dB, 但是通过耦合端口的反射功率只

低于输入功率RL+C=50dB。