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大家好，這里是射頻學(xué)堂。
在我們之前的文章中，曾多次強調(diào)過阻抗匹配的重要性，可以說，射頻設(shè)計的大部分工作都是在處理阻抗匹配相關(guān)的問題。比如射頻濾波器，其完成的就是在通帶內(nèi)實現(xiàn)阻抗匹配，而在通帶外實現(xiàn)全反射；再比如天線，其設(shè)計過程就是傳輸線系統(tǒng)的阻抗與空間波阻抗的一個匹配；當(dāng)然，還有很多很多。無論在無源器件設(shè)計中還是有源器件設(shè)計中，阻抗匹配都是同等重要的，甚至可以說阻抗匹配是射頻系統(tǒng)正常工作的第一步。
在射頻概念中，射頻專家們發(fā)明了很多描述阻抗匹配的名詞，比如常用到的反射系數(shù)Γ，回波損耗RL，電壓駐波比VSWR，還有用的比較少的失配損耗等專業(yè)名詞。其實無論是反射系數(shù)Γ，還是回波損耗RL，或者是VSWR，描述的都是阻抗匹配情況的量。所以通常我們用其中的一個來描述阻抗匹配優(yōu)劣就好了，至于哪個參量更好，我覺得是人云亦云吧，根據(jù)個人喜好即可。但是如果細(xì)究起來，這三個參量還是各有所長的。
什么是反射系數(shù)Γ？
在有些微波教材中，反射系數(shù)Γ有時候也用ρ來表示，通俗理解就是反射波和入射波的比值。
式中，ZL是指負(fù)載阻抗，Z0是指輸入傳輸線阻抗。
從反射系數(shù)的公式中可以看到，當(dāng)負(fù)載阻抗和輸入阻抗相等時，反射系數(shù)最小為0；負(fù)載阻抗和輸入阻抗的差別越大，反射系數(shù)就越大，阻抗匹配就越差，當(dāng)負(fù)載為開路或者短路時，阻抗匹配最差，反射系數(shù)達(dá)到最大為±1（開路時，Γ=1；短路時，Γ=-1，這是為什么呢？大家可以算一下）
因為阻抗可以是復(fù)阻抗，那么反射系數(shù)也有可能是一個復(fù)數(shù)，實際上因為電感電容的存在，反射系數(shù)都是一個復(fù)數(shù)，θ就是反射波和入射波的相位差。
同樣這個公式也給了我們阻抗匹配最基本的原則，把負(fù)載阻抗和輸入阻抗做成一模一樣的，那么阻抗匹配肯定就沒問題了。所以在射頻設(shè)計中，我們應(yīng)該盡可能的做到負(fù)載阻抗和輸入阻抗的一致性。只有在實在做不到阻抗一致的情況下，才使用各種匹配電路和阻抗變換去做。
那什么是回波損耗RL呢？
當(dāng)阻抗匹配不良的時候，來自源的可用功率并不能夠其全部被負(fù)載吸收，這種由于反射引起的損耗，我們稱之為回波損耗，英語給了個比較形象的名字：Return Loss。是不是也可以叫做反射損耗呢？但是還是回波損耗更為形象一點：反射回來的電磁波產(chǎn)生的損耗。
在射頻中，描述損耗相關(guān)的參量一般用dB形式表示，比如插入損耗IL，也是dB形式。
這里注意兩個地方，一個是20前面的那個“-”號，從上面的描述中我們得知，反射系數(shù)Γ是一個小于1的數(shù)值，那么它的對數(shù)就是一個負(fù)數(shù)，再＋一個負(fù)號，那就是負(fù)負(fù)得正，所以回波損耗RL應(yīng)該是一個正值。想象也能相通，都是負(fù)損耗是不是就和負(fù)增長一個意思了。我們射頻工程師是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模热灰呀?jīng)是損耗了，那么它的值就是一個正值，我們這里沒有負(fù)損耗這一說。哈哈。描述負(fù)損耗的時候，我們直接用增益了。
其二就是這里用的是反射系數(shù)的模值|Γ|，既然回波損耗只取了反射系數(shù)的幅值了，那么相位信息就丟了。所以當(dāng)我們遇到兩個射頻模塊的級聯(lián)時，只根據(jù)回波損耗RL，就很難準(zhǔn)確算出級聯(lián)之后的整體回波損耗了。如果是反射系數(shù)，這個級聯(lián)就簡單了。
但為什么還要用回波損耗RL這個參量呢？
dB在射頻中的應(yīng)用就不用多說了，無論是描述功率的dBm還是天線增益的dBd/dBi,抑或是dBc，都為射頻設(shè)計帶來了很大的簡化。同樣RL也是一樣的。舉個例子，輸入信號功率為40dBm，負(fù)載處的回波損耗RL是10dB，那么反射功率就可以直接算出來：40dBm-10dB=30dBm。
相反，如果告訴你負(fù)載的反射系數(shù)是0.1，那反射功率是多少，是不是要用計算器了。
我們在介紹S參數(shù)的時候，里面也有兩個表示反射的參數(shù)，小s11和大S11，這兩個小S和大S呢，對應(yīng)的就是反射系數(shù)Γ和回波損耗RL了。
S參數(shù)的數(shù)據(jù)格式是.snp，表示一個n端口的S參數(shù)，也就做試金石TOUCHSTONE，我覺得這個試金石名字起的太好了，因為這個試金石里面包含了這個射頻網(wǎng)絡(luò)的所有信息：頻率，反射，損耗，相位等等，一應(yīng)俱全。只要得到了射頻模塊的S參數(shù)試金石文件，那么這個器件的射頻性能就盡在掌握之中了，無論是做系統(tǒng)仿真，還是性能對比，都可以手到擒來。
什么是VSWR？
反射系數(shù)和回波損耗都比較容易理解，但是電壓駐波比VSWR就沒那么通俗易懂了?？疵诌@么長就知道他難搞了。為什么要用到這個概念呢？我想大概率的是因為在早期的測量中，單端口可能更常用一些，尤其是還沒有矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時候，我們只能測到入射波和反射波疊加后的波，分離開來的反射波利用單端口很難從疊加之后的波里面分離出來。那這個反射波和入射波疊加之后的波就是駐波了。
上圖描述了一個全反射的情況，圖中藍(lán)色線表示入射波，紅色線表示反射波，黑色線就是合成之后的駐波，用英語叫做 standing wave。當(dāng)全反射時，反射波等于入射波，這個時候形成的駐波叫做全駐波；當(dāng)反射波小于入射波的時候，稱為行駐波。
我們把駐波幅值的最大值稱為波腹，把駐波幅值的最小值稱為波節(jié)，駐波比就是波腹和波節(jié)的比值。
駐波比也稱作電壓駐波比 VSWR：Voltage Standing Wave Ratio
我們轉(zhuǎn)化成反射系數(shù)的形式就是：
因為反射系數(shù)Γ是一個0≤|Γ|≤1之間的數(shù)值，所以VSWR就是1?≤VSWR ≤?+∞ 的一個值，當(dāng)阻抗完全匹配時，VSWR=1.
看VSWR的公式也能看出，VSWR也是一個描述反射幅值的量，也是忽略了反射系數(shù)的相位參數(shù)。所以從這個方面來說，VSWR和RL都不能夠完整的表示反射的情況，都少了反射系數(shù)中的相位特征。
那是不是就完全可以丟棄不用呢？我們只用反射系數(shù)Γ。用他的復(fù)數(shù)形式。
當(dāng)然如果你不怕麻煩的話，這個是完全可以的，尤其在做編程計算時，利用復(fù)數(shù)計算可以做的非常精確。
但是在工程應(yīng)用中，復(fù)數(shù)的計算量也太大了。畢竟沒有幾個人的腦子里裝了一臺計算機。
在工程設(shè)計中，RL和VSWR也就足夠了。比如我們應(yīng)用RL來快速評估反射信號的功率。
反射系數(shù)，電壓駐波比和回波損耗的數(shù)值關(guān)系我們整理成下表。最好記住幾個值，比如RL=20dB，對應(yīng)的VSWR大概是1.2；VSWR=1.5，對應(yīng)的RL是14dB；VSWR=2，對應(yīng)的RL大約是10dB。多記住一些常用值，對設(shè)計評估非常有用。
好了，今天介紹到這。
