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從反射系數(shù)到史密斯圓圖

2022/10/31
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閱讀需 4 分鐘
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大家好,今天繼續(xù)我們的《射頻入門》課程。

在上一講傳輸線理論中,我們學習了射頻設計中的幾個最基礎的概念:傳播常數(shù),特性阻抗和幾個關(guān)于發(fā)射相關(guān)的名詞:反射系數(shù)Γ,回波損耗RL電壓駐波比VSWR。但是這三個名詞描述的其實是一個意思:反射波和入射波之間的關(guān)系。

反射系數(shù)Γ,回波損耗RL電壓駐波比VSWR之間的關(guān)系如下:

既然是一個意思,居然用了三個名詞來描述,也足見反射在射頻設計中的重要性。在射頻設計中,我們通常希望反射越小越好,最理想的狀態(tài)是完全沒有反射,即|Γ|=0, 對應的 VSWR為1, RL為∞。但完全匹配在實際電路中是不存在的,所以一般會設定一個反射系數(shù)的范圍,反射系數(shù)Γ是一個很小的數(shù)值,這個時候,用RL或者VSWR來描述更直觀一點,比如一個低功率的射頻電路,通常RL大于9dB就可以,而大功率的射頻系統(tǒng),通常要求RL比較高,比如數(shù)字廣播系統(tǒng)要求的RL通常要大于26dB,移動通信基站系統(tǒng)一般要求RL大于12dB。

下表給出了VSWR,Γ和RL的數(shù)值表,建議記住下面幾個值,在設計中會經(jīng)常用到。

在研究射頻電路的匹配狀態(tài)時,一些朋友喜歡用VSWR這個值來描述,也有一些朋友喜歡RL來描述,個人覺得RL用起來會更方便一點,因為RL是反射系數(shù)Γ的dB格式,在射頻計算中,dB更方便快捷一些,詳情請看《射頻設計,dB 為什么如此重要?》。

比如把40dBm的信號輸入到一個RL為20dB的負載,那么反射功率就可以直接算出來:40dBm-20dB=20dBm。這樣負載前面的器件所承受的最大功率就是40dBm+20dBm=?

當匹配良好的時候,即RL比較大,反射功率一般不構(gòu)成影響,但是當匹配較差的時候,反射功率可能就是壓垮負載前面器件的最后一根稻草。當反射信號進入到環(huán)形器的時候,有可能造成接收鏈路的堵塞,甚至燒毀。

今天再學習一個新名詞:失配損耗,失配損耗就是由反射所帶來的損耗,它是插入損耗的一部分, 失配損耗和反射系數(shù)的關(guān)系如下:

這也是反射系數(shù)越大,傳輸損耗越大的原因,就來自于這個失配損耗。

我們把失配損耗和回波損耗,反射系數(shù),VSWR的關(guān)系整理如下:

失配損耗在設計中很少用到,認識這個名詞更有助于我們理解插損的概念。后面我們再講。

觀察表格里面的數(shù)值,我們不難發(fā)現(xiàn),無論是VSWR還是回波損耗RL都是描述反反射系數(shù)幅值的一種形式,為了在射頻設計中更直觀和簡潔。其實精華還在反射系數(shù)Γ里面,它直接描述了射頻電路的匹配狀態(tài),即兩個阻抗之間的關(guān)系。

在兩個阻抗連接點的反射系數(shù)Γ為:

這樣,反射就和阻抗建立了關(guān)系,實際上反射確實就是阻抗不匹配引起的,無論是電磁波的反射,還是機械波的反射。

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