談談射頻中的S參數、反射系數和VSWR

2023-06-12 17:06:24 來源:無線通信錄

在低頻電路中,電子元器件的尺寸要遠遠小于信號的波長,當信號經過某一元器件時,電磁波對電壓和電流產生影響可以忽略不計。我們可以將電路簡化成各種電阻、電感、電容集總在一起;其中,每一個具有兩個端鈕的元件,從一個端鈕流入的電流等于從另一個端鈕流出的電流,端鈕間的電壓為單值量,這種電路稱為集總參數電路。因此,我們可以采用集總參數模型進行分析電路。


(資料圖)

我們知道電磁波的波長與頻率成反比,在高頻電路中其信號的波長較短,這時的電子元器件的尺寸和信號的波長相當,此時電磁波的影響就無法被忽略,電子元器件會對信號的電磁場產生一定的影響。

電路中同一瞬間相鄰兩點的電位和電流都不會相同,電路中電壓和電流不僅是時間的函數,還是空間坐標的函數。此時,集總參數電路將不再適用。這就需要用分布參數方法進行分析,將各個電流元器件拆分成各個單元電路級聯進行分析,為了簡化分析,通常采用微波網絡來分析。

所謂網絡,一個具有多個端口的設備,而且每個端口都可以傳遞,吸收或反射能量。我們可以將其視作一個黑盒子,并分析不同頻率下信號的輸入輸出情況,這是一種微波網絡的分析方法。

其中,一個端口的比如有50ohm的負載;兩個端口的有濾波器放大器等;三個端口的有開關,定向耦合器等;多個端口的還有開關,功分器等。

這里我們將以兩端口為例進行分析,如下圖二端口網絡:

S參數

其中,1和2分別代表二端口網絡的端口1和端口2這兩個端口,a和b指的是信號的相對于端口的傳輸方向,a表示信號進入端口,b表示信號從端口出來。那么,a1,a2,b1,b2的含義就是:

a1:從端口1進入的信號;b1:從端口2出來的信號;a2:從端口2進入的信號;b2:從端口2出來的信號;

那么,我們根據信號在二端口網絡中的傳輸可以得到下面4個公式:

S21是正向傳輸參數,比如,增益或插損;S12是方向傳輸參數,比如,隔離和反向增益等; S11為輸入反射參數,也就是輸入回波損耗;S22為輸出反射參數,也就是輸出回波損耗。

這四個參數S11S12S22S21,我們稱統稱散射參數(Scatter Parameter),又稱S參數

同樣的,我們也可以用多端口分析:

多端口對應的S參數可用下面矩陣表達式表示:

S參數矩陣表達式

它是射頻電路中非常有效的一種分析方法,也是RF工程師必須掌握的一項重要內容。

反射系數和駐波比

所謂駐波比就是電壓駐波比(Voltage Standing Wave Radio),它是傳輸線上最大電壓振幅與最小電壓振幅之比。它可以用反射系數進行如下表示:

它的表示范圍是從1到無窮大的值,當VSWR=1時,反射系數為0,此時沒有反射損耗,處于一個完全匹配的狀態,VSWR的值越大表示匹配越差。也就是說越靠近于1端口的匹配性能越好,由于非常有利于觀察和調試,因此,它也常用來用于阻抗匹配的調試。

現在我們知道了反射系數,回波損耗以及電壓駐波比的關系。為了方便查找和換算我們常將他們列成一個表格:

回波損耗、反射系數、VSWR換算

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