电压驻波比及其对功率放大器的影响

电压驻波比（VSWR）是源端（放大器）与负载端（测试应用）之间阻抗失配所引发的现象。这种失配可能影响源端设备的性能表现。虽然VSWR这一概念本身并不难理解，但其对仪器设备产生的实际影响往往更难以辨识。本文中，Exodus Advanced Communications重点研究了射频/微波大功率放大器在此类常见物理问题中的响应机制。为实现自我保护，放大器有时需启动特定防护机制以防止自身受损。首先，我们需要明确VSWR的基本原理。

大多数射频与微波系统基于标准化阻抗（通常为50Ω）构建。射频测试系统中的仪器与组件均经过专门设计，力求最大限度地维持这一阻抗值。由此可实现可预测的确定性功率传输。理论上所有元件都应精确匹配50Ω，但在现实世界中存在各种偏差。当仪器覆盖跨越多个数量级的宽频段时，维持理想50Ω阻抗的难度将呈指数级增长。在此条件下，某种程度的VSWR现象不可避免。

电压驻波比的计算公式如下：

这是阻抗差异的简单比率。较大阻抗（ZL）与较小阻抗（ZO）的比值。50 Ω/50 Ω=1是理想结果。它既可单独表示为无单位数值，也可写成比例形式，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会产生什么结果？以下方程展示了通过正向功率和反向（或反射）功率计算VSWR的另一种方法：

该方程引入了功率参数，使我们进一步理解阻抗失配会导致功率反射回放大器。反射功率是未被负载传输或接收的损耗功率。阻抗失配会降低系统的输出功率和效率，因此应尽量减少功率损耗。

被反射的损耗功率去向何处？根据牛顿能量守恒定律，这些能量必定有去处。最终它会返回到放大器。因此，放大器必须能够处理返回的反射功率。这种反射能量与输出信号叠加形成驻波。考虑电压驻波比的极端情况——当放大器输出端或负载端出现开路或短路时，会产生无限大的电压驻波比。这种情况将导致100%全反射，使电压翻倍，从而对所有内部元件造成压力。这种压力可能表现为热耗散或更高电压，而升高的电压会逼近击穿电压极限。

放大器需要承受多少反射功率？这取决于失配程度的大小。为此我们需要了解大多数测试场景中的典型情况。多数应用中，放大器、负载和系统设置都保持稳定，并按照最低电压驻波比（通常控制在2:1以内）设计，此时可能有10%功率被反射。10%的反射功率叠加100%的预期功率，意味着系统可能需要处理高达110%的总功率耗散。

这类系统通常是窄带发射机，相比宽带应用，其天线或传输线设计相对容易。但某些应用场景可能出现超过2:1的电压驻波比。高电压驻波比通常出现在宽带、大功率测试及负载匹配不良的情况下。虽然应尽可能避免此类状况，但有时测试需求使其无法规避。下图展示了电压驻波比与反射功率的对应关系。

上述图表显示，随着VSWR（电压驻波比）的升高，功率损耗也会增加。当VSWR达到6:1时，50%的功率会以能量浪费的形式损耗，可能需要使用更大功率的放大器进行过度补偿，从而增加测试应用的成本。

高VSWR负载的应用场景示例
低频（<100MHz）宽带测试、辐射抗扰度与传导抗扰度的EMC测试、负载未知的实验场景，以及负载故障或受损的情况。需注意应优化阻抗匹配，并确保所有仪器能承受相应的VSWR。需注意的是，VSWR会随频率范围变化。较高的VSWR通常是系统配置不良的标志，应采取改进阻抗匹配的措施。

改善VSWR的方法
建议从选用高品质的低VSWR组件（如连接器、同轴电缆、负载/传感器）入手。若必须使用高VSWR负载/传感器，并需改善放大器端的VSWR表现，可采用以下方法：
最常见的改善方式是使用衰减器（也称PAD）。在负载/传感器输入端添加3dB衰减器可优化匹配。此方法常用于大电流注入（BCI）探头和双锥（Bi-Con）天线的测试。
但此方法的缺点是功率会损失3dB（即降低一半），例如500瓦将变为250瓦。另一种方案是使用匹配网络，其通过复杂设计将阻抗变换至匹配状态。匹配网络仅针对特定负载设计，且频率范围受限，但其功率损耗低于衰减器。然而，匹配网络因定制化需求较少现成可用。

放大器如何应对高VSWR？
在放大器设计中可采用多种技术应对高VSWR。多数放大器可承受2:1 VSWR（此为常见失配值），其规格书通常以2:1为最劣输出条件，即必须能保护自身在接50Ω负载时不受损。固态放大器通常具有更高鲁棒性，甚至能在短路/开路状态下保持满功率输出且不损坏。

注意
向高VSWR负载输入满功率可能导致测试系统不安全，因为高VSWR常由设备损坏或配置错误引起。当功率超过100瓦至1千瓦时，设计能承受无限VSWR或100%反射功率的放大器极为困难。
尽管有人认为A类放大器比AB类更耐高VSWR，但实际鲁棒性主要取决于电路设计而非放大器偏置类别。若设计无法处理高VSWR，则需增加其他保护机制。

放大器的保护措施
主动保护

关机保护：检测到高反射功率（或VSWR）时，放大器将关闭并报错。触发阈值由厂商根据安全反射功率设定，故障清除后可重启。
折返保护：监测到高反射功率时，放大器通过降低内部增益来限制输出功率，从而避免损坏并维持运行。

被动保护
适用于成本敏感或放大器本身耐高VSWR的场景。例如：

环行器保护：阻止反射功率返回源端，但低频（<100MHz）宽带应用通常无法使用。

结论
了解射频系统中的VSWR水平对性能预测至关重要。"高VSWR"的定义因应用而异：多数场景中2:1为正常值，超过6:1或4:1则视为高风险。功率超过500瓦时，高VSWR对所有放大器均构成显著压力。
需注意：即使放大器规格书标注"可承受任意VSWR无损坏"，也不代表其能在高VSWR下长期无损耗。持续高VSWR工况会缩短设备寿命。正确使用放大器并保持良好匹配的测试配置，可延长仪器寿命并保护设备投资。