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阻抗匹配优劣的参数

工业解决方案 2021-09-22
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      阻抗匹配的优劣一般用四个参数来衡量,即反射系数,行波系数,驻波比和回波损耗,四个参数之间有固定的数值关系,使用那一个均出于习惯。通常用的较多的是驻波比和回波损耗。

行波:畅通无阻的波。
驻波:碰到某个障碍物,被完全反射过来。(两个振幅相同、方向相反的波同时存在在同一个介质上,于是能量的传播在宏观上来看就相互抵消了,所以看上去波就像停在原地上下振动一样,不过实际上波的相位不同的时候,两个方向的波传递的能量是不同的,真正始终完全抵消的是驻波的波节和波腹的位置)

行驻波:碰到某个障碍物,部分透射,部分反射。

行波系数  

行波系数:行波系数是相邻的电压波节与电压波腹之比,驻波比倒数,它是驻波比的倒数,用Tr表示.实际电路中,行波系数不小于0.5~0.6.

K=电压最小值/电压最大值=Umin/Umax=(入射波振幅-反射波振幅)/(反射波振幅+入射波振幅)

驻波比  

       功率不匹配的情况下, 馈线上同时存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方,电压振幅相加为最大电压振幅Vmax ,形成波腹;而在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Vmin ,形成波节。其它各点的振幅值则介于波腹波节之间。这种合成波称为行驻波。

驻波比:它是行波系数的倒数,其值在1到无穷大之间,表示馈电线与负载的失配程度。驻波比为1,表示完全匹配;驻波比为无穷大表示全反射,完全失配。在移动通信系统中,一般要求驻波比小于1.5。

电压驻波比(Voltage Standing Wave Ration):S=电压最大值/电压最小值=Umax/Umin =波腹电压/波节电压 (也有ISWR,表示电流测量值)

对于输入端口,电压驻波比Sin定义为Sin=(1+|S11|)/(1-|S11|)

对于输出端口,电压驻波比Sout定义为Sout=(1+|S22|)/(1-|S22|)

回波损耗

回波损耗: 它是反射系数绝对值的倒数,以分贝值表示。回波损耗是从功率的角度来看待问题

回波损耗(Return Loss):入射功率/反射功率, 为dB数值

回波损耗的值在0dB到无穷大之间,回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射,无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中,一般要求回波损耗大于14dB。

回波损耗:L=1/P=|(Zb+Za)|/|(Zb-Za)|

反射系数

       学过电磁场的朋友都知道,电磁波在不同的介质中传输的速率是不一样的,在不同物质的交界面会发生透射和反射。像镜子反射光一样,镜子一面有银漆,光不能穿透,把镜子上的银漆刮掉,光透过镜子的就多了,反射的就少了。信号在传输的时候遇到高阻抗就会反射,就像声波遇到墙会发生反射,除非墙的尺寸比波长还要小,声波可以绕过去。这也是为什么低频信号一般不用考虑反射的原因,射系数描述的是入射电压和反射电压之间的比值。

P=反射波振幅/入射波振幅=(传输线特性阻抗-负载阻抗)/(传输线特性阻抗+负载阻抗),即P=|(Zb-Za)|/|(Zb+Za)|取绝对值

S参数的含义与关系

S参数:

S12为反向传输系数,也就是隔离。

S21为正向传输系数,也就是增益,表示插入损耗.

S11为输入反射系数,也就是输入回波损耗,

S22为输出反射系数,也就是输出回波损耗。

以二端口网络为例,如单根传输线,共有四个S参数:S11,S12,S21,S22

对于互易网络有S12=S21,对于对称网络有S11=S22

对于无耗网络,有S11*S11+S21*S21=1,即网络不消耗任何能量,从端口1输入的能量不是被反射回端口1就是传输到端口2上了。

      在高速电路设计中用到的微带线或带状线,都有参考平面,为不对称结构(但平行双导线就是对称结构),所以S11不等于S22,但满足互易条件,总是有S12=S21。

       假设Port1为信号输入端口,Port2为信号输出端口,则我们关心的S参数有两个:S11和S21

S11表示回波损耗,也就是有多少能量被反射回源端(Port1)了,越小越好,一般建议S11<0.1,即-20dB.

S21表示插入损耗,也就是有多少能量被传输到目的端(Port2)了,越大越好,理想值是1,即0dB,越大传输的效率越高,一般建议S21>0.7,即-3dB.

       如果网络是无耗的,那么只要Port1上的反射很小,就可以满足S21>0.7的要求,但通常的传输线是有耗的,尤其在GHz以上,损耗很显著,即使在Port1上没有反射,经过长距离的传输线后,S21的值就会变得很小,表示能量在传输过程中还没到达目的地,就已经消耗在路上了。

需要说明的是,S参数表示的是全频段的信息,由于传输线的带宽限制,一般在高频的衰减比较大,S参数的指标只要在由信号的边缘速率表示的EMI发射带宽范围内满足要求就可以了。

波的简单分类

一般会将波的振动方向与传播方向之间的关系将波分为横波与纵波。

振动方向垂直于波传播方向的波叫横波。简单例子就是在薄膜上产生的波。

       波在平行于膜平面的方向上传播,也就是沿着膜传播。但是膜本身垂直于该平面上下移动。另外最常见的横波就是光波。其中的磁场与电场都垂直于传播方向振荡。

纵波是介质的位移与波的传播方向相同或者相反的波。

行波是场中不同点的相对振幅发生变化。

       如果场中不同点处的相对振荡振幅保持恒定,换句话说也就是,波在时间上振荡,但是其峰值幅度分布不随空间移动,则称该波为驻波。振幅最小的位置成为波节,振幅最大的位置称为波腹。这种现象可能是由于介质沿与波相反的方向移动发生的,或者是由于两个沿相反反向传播的行波的叠加产生的。


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