回波損耗、反射系數(shù)、電壓駐波比以及S參數(shù)的物理意義

1、回波損耗、反射系數(shù)、電壓駐波比以與S參數(shù)的物理意義以二端口網(wǎng)絡(luò)為例，如單根傳輸線，共有四個S參數(shù)： S11，S12，S21，S22，對于互易網(wǎng)絡(luò)有S12二S21,對于對 稱網(wǎng)絡(luò)有S11二S22,對于無耗網(wǎng)絡(luò)，有S11*S11+S21*S21 二1,即網(wǎng)絡(luò)不消耗任何能量，從端口 1輸入的能量不是被 反射回端口 1就是傳輸?shù)蕉丝?2上了。在高速電路設(shè)計中用 到以二端口網(wǎng)絡(luò)為例，如單根傳輸線，共有四個S參數(shù):S11, S12, S21, S22,對于互易網(wǎng)絡(luò)有S12二S21,對于對稱網(wǎng)絡(luò) 有S11二S22,對于無耗網(wǎng)絡(luò)，有S 11*S11+S21*S21二1,即 網(wǎng)絡(luò)不消耗任何能量，從端口1輸入的能

2、量不是被反射回端 口 1就是傳輸?shù)蕉丝?2上了。在高速電路設(shè)計中用到的微帶 線或帶狀線，都有參考平面，為不對稱結(jié)構(gòu)但平行雙導(dǎo)線 就是對稱結(jié)構(gòu)，所以S11不等于S22,但滿足互易條件，總 是有S12二S21。假設(shè)Port1為信號輸入端口，Port2為信號 輸出端口，那么我們關(guān)心的，參數(shù)有兩個:S11和S21, S11 表示回波損耗，也就是有多少能量被反射回源端Port1了， 這個值越小越好，一般建議S110.7,即-3dB,如果網(wǎng)絡(luò)是 無耗的，那么只要Port1上的反射很小，就可以滿足S210.7 的要求，但通常的傳輸線是有耗的，尤其在GHz以上，損耗 很顯著，即使在Port1上沒有反射，經(jīng)過長

3、距離的傳輸線后, S21的值就會變得很小，表示能量在傳輸過程中還沒到達目的地，就已經(jīng)消耗在路上了。對于由2根或以上的傳輸線組 成的網(wǎng)絡(luò)，還會有傳輸線間的互參數(shù)，可以理解為近端串擾 系數(shù)、遠端串擾系統(tǒng)，注意在奇模激勵和偶模激勵下的S參 數(shù)值不同。需要說明的是，S參數(shù)表示的是全頻段的信息， 由于傳輸線的帶寬限制，一般在高頻的衰減比擬大，S參數(shù) 的指標只要在由信號的邊緣速率表示的EMI發(fā)射帶寬圍滿足 要求就可以了?；夭〒p耗，反射系數(shù)，電壓駐波比S11這幾 個參數(shù)在射頻微波應(yīng)用中經(jīng)常會碰到，他們各自的含義如 下：回波損耗(Return Loss):入射功率/反射功率，為dB數(shù)值 反射系數(shù)()：反射電壓

4、/入射電壓，為標量電壓駐波比 (Voltage Standing Wave Ration):波腹電壓/波節(jié)電壓S參數(shù)： S12為反向傳輸系數(shù)，也就是隔離。S21為正向傳輸系數(shù)， 也就是增益。S11為輸入反射系數(shù)，也就是輸入回波損耗， S22為輸出反射系數(shù)，也就是輸出回波損耗。四者的關(guān)系： VSWR=(1+)/(1-)(1)S11=20lg()(2)RL=-S11 (3)以上各參數(shù)的定義與測量都有一個前提，就是其 它各端口都要匹配。這些參數(shù)的共同點：他們都是描述阻抗 匹配好壞程度的參數(shù)。其中，S11實際上就是反射系數(shù)匚 只不過它特指一個網(wǎng)絡(luò)1號端口的反射系數(shù)。反射系數(shù)描述 的是入射電壓和反射電壓

5、之間的比值，而回波損耗是從功率 的角度來看待問題。而電壓駐波的原始定義與傳輸線有關(guān)， 將兩個網(wǎng)絡(luò)連接在一起，雖然我們能計算出連接之后的電壓 駐波比的值，但實際上如果這里沒有傳輸線，根本不會存在 駐波。我們實際上可以認為電壓駐波比實際上是反射系數(shù)的 另一種表達方式，至于用哪一個參數(shù)來進展描述，取決于怎 樣方便，以與習(xí)慣如何?；夭〒p耗與VSWR之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系, 讀者可以采用上面的式子1和2來手動計算。反射系數(shù)/行波 系數(shù)/駐波比/回波損耗1、定義：天饋線匹配：阻抗匹配的 優(yōu)劣一般用四個參數(shù)來衡量，即反射系數(shù)，行波系數(shù)，駐波 比和回波損耗，四個參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系，使用那一 個均出于習(xí)慣。通常用

6、的較多的是駐波比和回波損耗。比： 它是行波系數(shù)的倒數(shù)，其值在1到無窮大之間。駐波比為1， 表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。在 移動通信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于1.5。回波損耗：它 是反射系數(shù)絕對值的倒數(shù)，以分貝值表示。回波損耗的值在 0dB的到無窮大之間，回波損耗越大表示匹配越好。0表示 全反射，無窮大表示完全匹配。在移動通信系統(tǒng)中，一般要 求回波損耗大于14dB。2、公式表達2.1駐波比:S二電壓最 大值/電壓最小值二Umax/Umin2.2行波系數(shù):K二電壓最小值/電壓最大值二 Umin/Umax二（入射波振幅-反射波振幅）/（反射波振幅+入射波振幅）2.3 反射系數(shù):

7、P二反射波振幅/入射波振幅二（傳輸線特性阻抗-負載阻抗）/（傳輸線特性阻抗+負載阻抗） 即P二|Zb-Za/Zb+Za|取絕對值2.4回波損耗： L二1/P 二 |Zb+Za/Zb-Za| 2.5 駐波比與反射系數(shù)： S二1+P/1-PVSWRVSWR 翻譯為電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio）, 般簡稱駐波比。電磁波從甲介質(zhì)傳導(dǎo)到乙介質(zhì)，會由于介質(zhì) 不同，電磁波的能量會有一局部被反射，從而在甲區(qū)域形成 “行駐波。電壓駐波比,指的就是行駐波的電壓峰值與電壓 谷值之比，此值可以通過反射系數(shù)的模值計算：VSWR=（1 + 反射系數(shù)模值）/（1-反射系數(shù)模值。而入射波

8、能量與反射波 能量的比值為1 ：（反射系數(shù)模的平方）從能量傳輸?shù)慕嵌瓤?慮，理想的VSWR為1:1，即此時為行波傳速狀態(tài)，在傳輸 線中，稱為阻抗匹配；最差時VSWR無窮大，此時反射系數(shù) 模為1,為純駐波狀態(tài)，稱為全反射，沒有能量傳輸。由上 可知,駐波比越大,反射功率越高，傳輸效率越低。電壓駐波比 VSWR電壓駐波比VSWR是射頻技術(shù)中最常用的參數(shù)，用來衡 量部件之間的匹配是否良好。當業(yè)余無線電愛好者進展聯(lián)絡(luò) 時，當然首先會想到測量一下天線系統(tǒng)的駐波比是否接近 1:1,如果接近1:1,當然好。常常聽到這樣的問題：但如果不能 達到1，會怎樣呢？駐波比小到幾，天線才算合格？為什么 大小81這類老式的

9、軍用電臺上沒有駐波表？ VSWR與標 稱阻抗發(fā)射機與天線匹配的條件是兩者阻抗的電阻分量一樣、感抗 局部互相抵消。如果發(fā)射機的阻抗不同，要求天線的阻抗也 不同。在電子管時代，一方面電子管本輸出阻抗高，另一方 面低阻抗的同軸電纜還沒有得到推廣，流行的是特性阻抗為 幾百歐的平行饋線，因此發(fā)射機的輸出阻抗多為幾百歐姆。 而現(xiàn)代商品固態(tài)無線電通信機的天線標稱阻抗那么多為50 歐姆，因此商品VSWR表也是按50歐姆設(shè)計標度的。如果你擁有一臺輸出阻抗為600歐姆的老電臺，那就大可不必 費心血用50歐姆的VSWR計來修理你的天線，因為那樣反 而幫倒忙。只要設(shè)法調(diào)到你的天線電流最大就可以了。VSWR不是1時，比

10、擬VSWR的值沒有意義正因為VSWR除了 1以外的數(shù)值不值得那么準確地認定除 非有特殊需要，所以多數(shù)VSWR表并沒有象電壓表、電阻 表那樣認真標定，甚至很少有VSWR給出它的誤差等級數(shù)據(jù)。 由于表射頻耦合元件的相頻特性和二極管非線性的影響，多 數(shù)VSWR表在不同頻率、不同功率下的誤差并不均勻。VSWR都二1不等于都是好天線 影響天線效果的最重要因 素：諧振讓我們用弦樂器的弦來加以說明。無論是提琴還是 古箏，它的每一根弦在特定的長度和力下，都會有自己的固 有頻率。當弦以固有頻率振動時，兩端被固定不能移動，但 振動方向的力最大。中間擺動最大，但振動力最松弛。這相 當于自由諧振的總長度為1/2波長的

11、天線,兩端沒有電流電 流波谷而電壓幅度最大電壓波腹，中間電流最大電 流波腹而相鄰兩點的電壓最小電壓波谷。 我們要 使這根弦發(fā)出最強的聲音，一是所要的聲音只能是弦的固有 頻率，二是驅(qū)動點的力與擺幅之比要恰當，即驅(qū)動源要和弦 上驅(qū)動點的阻抗相匹配。具體表現(xiàn)就是拉弦的琴弓或者彈撥 的手指要選在弦的適當位置上。我們在實際中不難發(fā)現(xiàn)，拉 弓或者撥弦位置錯誤會影響弦的發(fā)聲強度，但稍有不當還不 至于影響太多，而要發(fā)出與琴弦固有頻率不同的聲響卻是十 分困難的，此時弦上各點的振動狀態(tài)十分復(fù)雜、混亂，即使 振動起來，各點對空氣的推動不是齊心合力的，發(fā)聲效率很 低。天線也是同樣，要使天線發(fā)射的電磁場最強，一是發(fā)射頻

12、率 必須和天線的固有頻率一樣，二是驅(qū)動點要選在天線的適當 位置。如果驅(qū)動點不恰當而天線與信號頻率諧振，效果會略 受影響，但是如果天線與信號頻率不諧振，那么發(fā)射效率會大打折扣。所以，在天線匹配需要做到的兩點中，諧振是最關(guān)鍵的因素。 在早期的發(fā)信機，例如本期介紹的71 型報話機中，天線電路只用串聯(lián)電感、電容的方法取得與工 作頻率的嚴格諧振，而進一步的阻抗配合是由線圈之間的固 定耦合確定死的，在不同頻率下未必真正達到阻抗的嚴格匹 配，但是實際效果證明只要諧振就足以好好工作了。因此在沒有條件做到VSWR絕對為1時，業(yè)余電臺天線最重 要的調(diào)整是使整個天線電路與工作頻率諧振。 天線的駐波 比和天線系統(tǒng)的駐

13、波比天線的VSWR需要在天線的饋電端測量。但天線饋電點常常 高懸在空中，我們只能在天線電纜的下端測量VSWR，這樣 測量的是包括電纜的整個天線系統(tǒng)的VSWR。當天線本身的 阻抗確實為50歐姆純電阻、電纜的特性阻抗也確實是50歐 姆時，測出的結(jié)果是正確的。當天線阻抗不是50歐姆時而電纜為50歐姆時，測出的VSWR 值會嚴重受到天線長度的影響，只有當電纜的電器長度正好 為波長的整倍數(shù)時、而且電纜損耗可以忽略不計時，電纜下 端呈現(xiàn)的阻抗正好和天線的阻抗完全一樣。但即便電纜長度 是整倍波長，但電纜有損耗，例如電纜較細、電纜的電氣長 度達到波長的幾十倍以上，那么電纜下端測出的VSWR還是 會比天線的實際

14、VSWR低。所以，測量VSWR時，尤其在UHF以上頻段，不要忽略電纜 的影響。不對稱天線我們知道偶極天線每臂電氣長度應(yīng)為1/4波長。那么如果兩 臂長度不同，它的諧振波長如何計算？是否會出現(xiàn)兩個諧振 點？/xx 如果想清了上述琴弦的例子，答案就清楚了。系統(tǒng)總長度不 足3/4波長的偶極天線或者以地球、地網(wǎng)為鏡象的單臂天 線只有一個諧振頻率，取決于兩臂的總長度。兩臂對稱， 相當于在阻抗最低點加以驅(qū)動，得到的是最低的阻抗。兩臂 長度不等，相當于把弓子偏近琴馬拉弦，費的力不同，驅(qū)動 點的阻抗比擬高一些，但是諧振頻率仍舊是一個，由兩臂的 總長度決定。如果偏到極端，一臂加長到1/2波長而另一臂 縮短到0，驅(qū)

15、動點阻抗增大到幾乎無窮大，那么成為端饋天 線，稱為無線電開展早期用在汽艇上的齊柏林天線和現(xiàn)代的 1/2波長R7000垂直天線，當然這時必須增加必要的匹配電 路才能連接到50歐姆的低阻抗發(fā)射機上。偶極天線兩臂不對稱，或者兩臂周圍導(dǎo)電物體的影響不對 稱，會使諧振時的阻抗變高。但只要總電氣長度保持1/2波 長，不對稱不是十分嚴重，那么雖然特性阻抗會變高，一定 程度上影響VSWR，但是實際發(fā)射效果還不至于有十清楚顯 的惡化。QRPer不必苛求VSWR當VSWR過高時，主要是天線系統(tǒng)不諧振時，因而阻抗存在 很大電抗分量時，發(fā)射機末級器件可能需要承受較大的瞬間 過電壓。早期技術(shù)不很成熟時，高VSWR容易造

16、成射頻末級 功率器件的損壞。因此，將VSWR控制在較低的數(shù)值，例如 3以，是必要的。現(xiàn)在有些設(shè)備具有比擬完備的高VSWR保護，當在線測量到 的VSWR過高時，會自動降低驅(qū)動功率，所以燒末級的危險 比20年以前降低了很多。但是仍然不要大意。不過對于QRP玩家講來，末級功率有時小到幾乎沒有燒末級的可能 性。移動運用時要將便攜的臨時天線調(diào)到VSWR二1卻因為 環(huán)境的變幻而要絞盡腦汁。這時不必太喪氣。1988 - 1989 年筆者為BY1PK試驗4W的CW/QRP,使用長度不足1.5米 的三樓窗簾鐵絲和長度為1.5米左右的塑料線做饋線，用串 并電容的方法調(diào)到天線電流最大，測得VSWR為無窮大，卻 也聯(lián)

17、到了治、VK、U9、OH等電臺。后來做了一個小天調(diào)， 把VSWR調(diào)到1,但比照試驗中遠方友臺報告說，VSWR的 極大變化并沒有給信號帶來什么改良，好似信號還變?nèi)趿?些，可能本來就微弱的信號被天調(diào)的損耗又吃掉了一些吧?？傊?，VSWR道理多多。既然有了業(yè)余電臺，總是免不了和 VSWR打交道，不妨多觀察、積累、交流各自的心得吧。天 線系統(tǒng)和輸出阻抗天線系統(tǒng)和輸出阻抗為50歐的發(fā)信機的匹配條件是天線系 統(tǒng)阻抗為50歐純電阻。要滿足這個條件，需要做到兩點： 第一，天線電路與工作頻率諧振否那么天線阻抗就不是純 電阻；第二，選擇適當?shù)酿侂婞c。一些國外雜志文章在介紹天線時經(jīng)常給出VSWR的曲線。有 時會因此產(chǎn)生一種錯覺，只要VSWR二1,總會是好天線。其 實,VSWR二1只能說明發(fā)射機的能量可以有效地傳輸?shù)教炀€ 系統(tǒng)。但是這些能量是否能有效地輻射到空間，那是另一個 問題。一副按理論長度作制作的偶極天線，和一副長度只有 1/20的縮短型天線，只要采取適當措施，它們都可能做到 VSWR二1,但發(fā)射