電壓駐波比（VSWR）是源端（放大器）與負(fù)載端（測試應(yīng)用）之間阻抗失配所引發(fā)的現(xiàn)象。這種失配可能影響源端設(shè)備的性能表現(xiàn)。雖然VSWR這一概念本身并不難理解，但其對儀器設(shè)備產(chǎn)生的實(shí)際影響往往更難以辨識。本文中，Exodus Advanced Communications重點(diǎn)研究了射頻/微波大功率放大器在此類常見物理問題中的響應(yīng)機(jī)制。為實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，放大器有時需啟動特定防護(hù)機(jī)制以防止自身受損。首先，我們需要明確VSWR的基本原理。

大多數(shù)射頻與微波系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)化阻抗（通常為50Ω）構(gòu)建。射頻測試系統(tǒng)中的儀器與組件均經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，力求最大限度地維持這一阻抗值。由此可實(shí)現(xiàn)可預(yù)測的確定性功率傳輸。理論上所有元件都應(yīng)精確匹配50Ω，但在現(xiàn)實(shí)世界中存在各種偏差。當(dāng)儀器覆蓋跨越多個數(shù)量級的寬頻段時，維持理想50Ω阻抗的難度將呈指數(shù)級增長。在此條件下，某種程度的VSWR現(xiàn)象不可避免。

電壓駐波比的計(jì)算公式如下：

這是阻抗差異的簡單比率。較大阻抗（ZL）與較小阻抗（ZO）的比值。50 Ω/50 Ω=1是理想結(jié)果。它既可單獨(dú)表示為無單位數(shù)值，也可寫成比例形式，例如2:1、4:1或10:1。阻抗失配越大，VSWR就越高。那么高VSWR或低VSWR會產(chǎn)生什么結(jié)果？以下方程展示了通過正向功率和反向（或反射）功率計(jì)算VSWR的另一種方法：

該方程引入了功率參數(shù)，使我們進(jìn)一步理解阻抗失配會導(dǎo)致功率反射回放大器。反射功率是未被負(fù)載傳輸或接收的損耗功率。阻抗失配會降低系統(tǒng)的輸出功率和效率，因此應(yīng)盡量減少功率損耗。

被反射的損耗功率去向何處？根據(jù)牛頓能量守恒定律，這些能量必定有去處。最終它會返回到放大器。因此，放大器必須能夠處理返回的反射功率。這種反射能量與輸出信號疊加形成駐波。考慮電壓駐波比的極端情況——當(dāng)放大器輸出端或負(fù)載端出現(xiàn)開路或短路時，會產(chǎn)生無限大的電壓駐波比。這種情況將導(dǎo)致100%全反射，使電壓翻倍，從而對所有內(nèi)部元件造成壓力。這種壓力可能表現(xiàn)為熱耗散或更高電壓，而升高的電壓會逼近擊穿電壓極限。

放大器需要承受多少反射功率？這取決于失配程度的大小。為此我們需要了解大多數(shù)測試場景中的典型情況。多數(shù)應(yīng)用中，放大器、負(fù)載和系統(tǒng)設(shè)置都保持穩(wěn)定，并按照最低電壓駐波比（通常控制在2:1以內(nèi)）設(shè)計(jì)，此時可能有10%功率被反射。10%的反射功率疊加100%的預(yù)期功率，意味著系統(tǒng)可能需要處理高達(dá)110%的總功率耗散。

這類系統(tǒng)通常是窄帶發(fā)射機(jī)，相比寬帶應(yīng)用，其天線或傳輸線設(shè)計(jì)相對容易。但某些應(yīng)用場景可能出現(xiàn)超過2:1的電壓駐波比。高電壓駐波比通常出現(xiàn)在寬帶、大功率測試及負(fù)載匹配不良的情況下。雖然應(yīng)盡可能避免此類狀況，但有時測試需求使其無法規(guī)避。下圖展示了電壓駐波比與反射功率的對應(yīng)關(guān)系。

上述圖表顯示，隨著VSWR（電壓駐波比）的升高，功率損耗也會增加。當(dāng)VSWR達(dá)到6:1時，50%的功率會以能量浪費(fèi)的形式損耗，可能需要使用更大功率的放大器進(jìn)行過度補(bǔ)償，從而增加測試應(yīng)用的成本。

高VSWR負(fù)載的應(yīng)用場景示例
低頻（<100MHz）寬帶測試、輻射抗擾度與傳導(dǎo)抗擾度的EMC測試、負(fù)載未知的實(shí)驗(yàn)場景，以及負(fù)載故障或受損的情況。需注意應(yīng)優(yōu)化阻抗匹配，并確保所有儀器能承受相應(yīng)的VSWR。需注意的是，VSWR會隨頻率范圍變化。較高的VSWR通常是系統(tǒng)配置不良的標(biāo)志，應(yīng)采取改進(jìn)阻抗匹配的措施。

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改善VSWR的方法
建議從選用高品質(zhì)的低VSWR組件（如連接器、同軸電纜、負(fù)載/傳感器）入手。若必須使用高VSWR負(fù)載/傳感器，并需改善放大器端的VSWR表現(xiàn)，可采用以下方法：
最常見的改善方式是使用衰減器（也稱PAD）。在負(fù)載/傳感器輸入端添加3dB衰減器可優(yōu)化匹配。此方法常用于大電流注入（BCI）探頭和雙錐（Bi-Con）天線的測試。
但此方法的缺點(diǎn)是功率會損失3dB（即降低一半），例如500瓦將變?yōu)?50瓦。另一種方案是使用匹配網(wǎng)絡(luò)，其通過復(fù)雜設(shè)計(jì)將阻抗變換至匹配狀態(tài)。匹配網(wǎng)絡(luò)僅針對特定負(fù)載設(shè)計(jì)，且頻率范圍受限，但其功率損耗低于衰減器。然而，匹配網(wǎng)絡(luò)因定制化需求較少現(xiàn)成可用。

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放大器如何應(yīng)對高VSWR？
在放大器設(shè)計(jì)中可采用多種技術(shù)應(yīng)對高VSWR。多數(shù)放大器可承受2:1 VSWR（此為常見失配值），其規(guī)格書通常以2:1為最劣輸出條件，即必須能保護(hù)自身在接50Ω負(fù)載時不受損。固態(tài)放大器通常具有更高魯棒性，甚至能在短路/開路狀態(tài)下保持滿功率輸出且不損壞。

注意
向高VSWR負(fù)載輸入滿功率可能導(dǎo)致測試系統(tǒng)不安全，因?yàn)楦遃SWR常由設(shè)備損壞或配置錯誤引起。當(dāng)功率超過100瓦至1千瓦時，設(shè)計(jì)能承受無限VSWR或100%反射功率的放大器極為困難。
盡管有人認(rèn)為A類放大器比AB類更耐高VSWR，但實(shí)際魯棒性主要取決于電路設(shè)計(jì)而非放大器偏置類別。若設(shè)計(jì)無法處理高VSWR，則需增加其他保護(hù)機(jī)制。

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放大器的保護(hù)措施
主動保護(hù)

• 關(guān)機(jī)保護(hù)：檢測到高反射功率（或VSWR）時，放大器將關(guān)閉并報(bào)錯。觸發(fā)閾值由廠商根據(jù)安全反射功率設(shè)定，故障清除后可重啟。

• 折返保護(hù)：監(jiān)測到高反射功率時，放大器通過降低內(nèi)部增益來限制輸出功率，從而避免損壞并維持運(yùn)行。

被動保護(hù)
適用于成本敏感或放大器本身耐高VSWR的場景。例如：

• 環(huán)行器保護(hù)：阻止反射功率返回源端，但低頻（<100MHz）寬帶應(yīng)用通常無法使用。

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結(jié)論
了解射頻系統(tǒng)中的VSWR水平對性能預(yù)測至關(guān)重要。"高VSWR"的定義因應(yīng)用而異：多數(shù)場景中2:1為正常值，超過6:1或4:1則視為高風(fēng)險。功率超過500瓦時，高VSWR對所有放大器均構(gòu)成顯著壓力。
需注意：即使放大器規(guī)格書標(biāo)注"可承受任意VSWR無損壞"，也不代表其能在高VSWR下長期無損耗。持續(xù)高VSWR工況會縮短設(shè)備壽命。正確使用放大器并保持良好匹配的測試配置，可延長儀器壽命并保護(hù)設(shè)備投資。