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从反射系数到史密斯圆图

10/31 11:49 作者:射频学堂
阅读需 4 分钟
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大家好,今天继续我们的《射频入门》课程。

在上一讲传输线理论中,我们学习了射频设计中的几个最基础的概念:传播常数,特性阻抗和几个关于发射相关的名词:反射系数Γ回波损耗RL电压驻波比VSWR。但是这三个名词描述的其实是一个意思:反射波和入射波之间的关系。

反射系数Γ回波损耗RL电压驻波比VSWR之间的关系如下:

既然是一个意思,居然用了三个名词来描述,也足见反射在射频设计中的重要性。在射频设计中,我们通常希望反射越小越好,最理想的状态是完全没有反射,即|Γ|=0, 对应的 VSWR为1, RL为∞。但完全匹配在实际电路中是不存在的,所以一般会设定一个反射系数的范围,反射系数Γ是一个很小的数值,这个时候,用RL或者VSWR来描述更直观一点,比如一个低功率的射频电路,通常RL大于9dB就可以,而大功率的射频系统,通常要求RL比较高,比如数字广播系统要求的RL通常要大于26dB,移动通信基站系统一般要求RL大于12dB。

下表给出了VSWR,Γ和RL的数值表,建议记住下面几个值,在设计中会经常用到。

在研究射频电路的匹配状态时,一些朋友喜欢用VSWR这个值来描述,也有一些朋友喜欢RL来描述,个人觉得RL用起来会更方便一点,因为RL是反射系数Γ的dB格式,在射频计算中,dB更方便快捷一些,详情请看《射频设计,dB 为什么如此重要?》。

比如把40dBm的信号输入到一个RL为20dB的负载,那么反射功率就可以直接算出来:40dBm-20dB=20dBm。这样负载前面的器件所承受的最大功率就是40dBm+20dBm=?

当匹配良好的时候,即RL比较大,反射功率一般不构成影响,但是当匹配较差的时候,反射功率可能就是压垮负载前面器件的最后一根稻草。当反射信号进入到环形器的时候,有可能造成接收链路的堵塞,甚至烧毁。

今天再学习一个新名词:失配损耗,失配损耗就是由反射所带来的损耗,它是插入损耗的一部分, 失配损耗和反射系数的关系如下:

这也是反射系数越大,传输损耗越大的原因,就来自于这个失配损耗。

我们把失配损耗和回波损耗,反射系数,VSWR的关系整理如下:

失配损耗在设计中很少用到,认识这个名词更有助于我们理解插损的概念。后面我们再讲。

观察表格里面的数值,我们不难发现,无论是VSWR还是回波损耗RL都是描述反反射系数幅值的一种形式,为了在射频设计中更直观和简洁。其实精华还在反射系数Γ里面,它直接描述了射频电路的匹配状态,即两个阻抗之间的关系。

在两个阻抗连接点的反射系数Γ为:

这样,反射就和阻抗建立了关系,实际上反射确实就是阻抗不匹配引起的,无论是电磁波的反射,还是机械波的反射。

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