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從反射系數(shù)到史密斯圓圖

2022/10/31
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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(xué)習(xí)了射頻設(shè)計(jì)中的幾個最基礎(chǔ)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(shí)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(shè)計(jì)中的重要性。在射頻設(shè)計(jì)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(yīng)的 VSWR為1, RL為∞。但完全匹配在實(shí)際電路中是不存在的,所以一般會設(shè)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(diǎn),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(shè)計(jì)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(diǎn),因?yàn)镽L是反射系數(shù)Γ的dB格式,在射頻計(jì)算中,dB更方便快捷一些,詳情請看《射頻設(shè)計(jì),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(fù)載,那么反射功率就可以直接算出來:40dBm-20dB=20dBm。這樣負(fù)載前面的器件所承受的最大功率就是40dBm+20dBm=?

當(dāng)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(dāng)匹配較差的時候,反射功率可能就是壓垮負(fù)載前面器件的最后一根稻草。當(dāng)反射信號進(jìn)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(xué)習(xí)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(shè)計(jì)中很少用到,認(rèn)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(shè)計(jì)中更直觀和簡潔。其實(shí)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(diǎn)的反射系數(shù)Γ為:

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

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