1、1射频中回波损耗，反射系数，电压驻波比以及 S 参数的含义和关系回波损耗，反射系数，电压驻波比, S11 这几个参数在射频微波应用中经常会碰到, 他们各自的含义如下:回波损耗(Return Loss): 入射功率/反射功率, 为 dB 数值反射系数(): 反射电压/入射电压, 为标量电压驻波比(Voltage Standing Wave Ration): 波腹电压/波节电压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。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。四者的关系：VSWR=(1+)/(1-) (1)S1
2、1=20lg() (2)RL=-S11 (3)以上各参数的定义与测量都有一个前提，就是其它各端口都要匹配。这些参数的共同点：他们都是描述阻抗匹配好坏程度的参数。其中，S11 实际上就是反射系数 ，只不过它特指一个网络 1 号端口的反射系数。反射系数描述的是入射电压和反射电压之间的比值，而回2波损耗是从功率的角度来看待问题。而电压驻波的原始定义与传输线有关，将两个网络连接在一起，虽然我们能计算出连接之后的电压驻波比的值，但实际上如果这里没有传输线，根本不会存在驻波。我们实际上可以认为电压驻波比实际上是反射系数的另一种表达方式，至于用哪一个参数来进行描述，取决于怎样方便，以及习惯如何。回波损耗、反
3、射系数、电压驻波比以及 S 参数的物理意义 :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 S12S21，对于对称网络有 S11S22，对于无耗网络，有 S11*S11+S21*S211，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: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 S12S21，对于对称网络有 S11S22，对于无耗网络，有S11*S11+S21*S211，即网络不消耗任何能量，从端口 1 输入的能量不是被
4、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 S12S21。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，3也就是有多少能量被反射回源端（Port1）了，这个值越小越好，一般建议 S110.7，即等于3dB，如果网络是无耗的，那么只要 Port1 上的反射|2log0S很小，就可以满足 S210.7 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
5、，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.对于由 2 根或以上的传输线组成的网络，还会有传输线间的互参数，可以理解为近端串扰系数、远端串扰系统，注意在奇模激励和偶模激励下的 S 参数值不同。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。反射系数 行波系数 驻波比 回波损耗1 定义：天馈线匹配：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
6、数之间有固定的数值关系4，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. 驻 电压驻波比: 它是行波系数的倒数，其值在 1 到无穷大之间。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。回波损耗： 它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在 0dB的到无穷大之间，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。2 公式表达2.1 驻波比:S电压最大值/电压最小值Umax/Umin2.2 行波系数:K电压最小值/电压最大值Umin/Umax(入射波振
7、幅-反射波振幅)/(反射波振幅+入射波振幅)2.3 反射系数:P反射波振幅/入射波振幅5(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2.4 回波损耗：L1/P（Zb+Za）/（Zb-Za）2.5 驻波比与反射系数：S（1+P）/（1-P） VSWR 翻译为电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio)，一般简称驻波比。 电磁波从甲介质传导到乙介质,会由于介质不同,电磁波的能量会有一部分被反射，从而在甲区域形成“行驻波” 。 电压驻波比,指的就是行驻波的电压峰值与电压谷值之比，此值可以通过反射系数的模值计算： VS
8、WR=(1+反射系数模值)/(1-反射系数模值） 。 而入射波能量与反射波能量的比值为 1：(反射系数模的平方) 由上可知,驻波比越大,反射功率越高，传输效率越低。V SWR翻 译 为 电 压 驻 波 比 (Voltage Standing Wave Ratio)， 一 般 简 称驻 波 比 。 电 磁 波 从 甲 介 质 传 导 到 乙 介 质 ,会 由 于 介 质 不 同 ,电 磁 波 的 能量 会 有 一 部 分 被 反 射 ， 从 而 在 甲 区 域 形 成 “行 驻 波 ”。 电 压 驻 波 比 ,指 的 就 是 行 驻 波 的 电 压 峰 值 与 电 压 谷 值 之 比 ， 此6值
9、 可 以 通 过 反 射 系 数 的 模 值 计 算 ： VSWR=(1+反 射 系 数 模 值 )/(1-反 射 系 数 模 值 ） 。 而 入 射 波 能 量 与 反 射 波 能 量 的 比 值 为 1： (反 射 系 数 模 的 平方 ) 从 能 量 传 输 的 角 度 考 虑 ， 理 想 的 VSWR 为 1:1 ， 即 此 时 为 行波 传 速 状 态 ， 在 传 输 线 中 ， 称 为 阻 抗 匹 配 ； 最 差 时 VSWR 无 穷 大 ，此 时 反 射 系 数 模 为 1， 为 纯 驻 波 状 态 ， 称 为 全 反 射 ， 没 有 能 量 传输 。 由 上 可 知 ,驻 波
10、比 越 大 ,反 射 功 率 越 高 ， 传 输 效 率 越 低 。 电 压 驻 波 比 （ VSWR）电 压 驻 波 比 （ VSWR） 是 射 频 技 术 中 最 常 用 的 参 数 ， 用 来 衡 量部 件 之 间 的 匹 配 是 否 良 好 。 当 业 余 无 线 电 爱 好 者 进 行 联 络 时 ， 当然 首 先 会 想 到 测 量 一 下 天 线 系 统 的 驻 波 比 是 否 接 近 1:1， 如 果 接 近 1:1， 当 然 好 。 常 常 听 到 这 样 的 问 题 ： 但 如 果 不 能达 到 1， 会 怎 样 呢 ？ 驻 波 比 小 到 几 ， 天 线 才 算 合 格
11、？ 为 什 么 大 小81 这 类 老 式 的 军 用 电 台 上 没 有 驻 波 表 ？ VSWR 及 标 称 阻 抗7发 射 机 与 天 线 匹 配 的 条 件 是 两 者 阻 抗 的 电 阻 分 量 相 同 、 感 抗部 分 互 相 抵 消 。 如 果 发 射 机 的 阻 抗 不 同 ， 要 求 天 线 的 阻 抗 也 不 同 。在 电 子 管 时 代 ， 一 方 面 电 子 管 本 输 出 阻 抗 高 ， 另 一 方 面 低 阻 抗 的同 轴 电 缆 还 没 有 得 到 推 广 ， 流 行 的 是 特 性 阻 抗 为 几 百 欧 的 平 行 馈线 ， 因 此 发 射 机 的 输 出 阻
12、 抗 多 为 几 百 欧 姆 。 而 现 代 商 品 固 态 无 线电 通 信 机 的 天 线 标 称 阻 抗 则 多 为 50 欧 姆 ， 因 此 商 品 VSWR 表 也 是按 50 欧 姆 设 计 标 度 的 。 如 果 你 拥 有 一 台 输 出 阻 抗 为 600 欧 姆 的 老 电 台 ， 那 就 大 可 不必 费 心 血 用 50 欧 姆 的 VSWR 计 来 修 理 你 的 天 线 ， 因 为 那 样 反 而 帮倒 忙 。 只 要 设 法 调 到 你 的 天 线 电 流 最 大 就 可 以 了 。 VSWR 不 是 1 时 ， 比 较 VSWR 的 值 没 有 意 义正 因 为
13、 VSWR 除 了 1 以 外 的 数 值 不 值 得 那 么 精 确 地 认 定 （ 除非 有 特 殊 需 要 ） ， 所 以 多 数 VSWR 表 并 没 有 象 电 压 表 、 电 阻 表 那 样认 真 标 定 ， 甚 至 很 少 有 VSWR 给 出 它 的 误 差 等 级 数 据 。 由 于 表 内射 频 耦 合 元 件 的 相 频 特 性 和 二 极 管 非 线 性 的 影 响 ， 多 数 VSWR 表在 不 同 频 率 、 不 同 功 率 下 的 误 差 并 不 均 匀 。 VSWR 都 1 不 等 于 都 是 好 天 线 影 响 天 线 效 果 的 最 重 要 因 素 ： 谐
14、振让 我 们 用 弦 乐 器 的 弦 来 加 以 说 明 。 无 论 是 提 琴 还 是 古 筝 ， 它8的 每 一 根 弦 在 特 定 的 长 度 和 张 力 下 ， 都 会 有 自 己 的 固 有 频 率 。 当弦 以 固 有 频 率 振 动 时 ， 两 端 被 固 定 不 能 移 动 ， 但 振 动 方 向 的 张 力最 大 。 中 间 摆 动 最 大 ， 但 振 动 张 力 最 松 弛 。 这 相 当 于 自 由 谐 振 的总 长 度 为 1/2 波 长 的 天 线 ， 两 端 没 有 电 流 （ 电 流 波 谷 ） 而 电 压 幅度 最 大 （ 电 压 波 腹 ） ， 中 间 电 流
15、 最 大 （ 电 流 波 腹 ） 而 相 邻 两 点 的电 压 最 小 （ 电 压 波 谷 ） 。 我 们 要 使 这 根 弦 发 出 最 强 的 声 音 ， 一 是 所 要 的 声 音 只 能 是 弦的 固 有 频 率 ， 二 是 驱 动 点 的 张 力 与 摆 幅 之 比 要 恰 当 ， 即 驱 动 源 要和 弦 上 驱 动 点 的 阻 抗 相 匹 配 。 具 体 表 现 就 是 拉 弦 的 琴 弓 或 者 弹 拨的 手 指 要 选 在 弦 的 适 当 位 置 上 。 我 们 在 实 际 中 不 难 发 现 ， 拉 弓 或者 拨 弦 位 置 错 误 会 影 响 弦 的 发 声 强 度 ，
16、但 稍 有 不 当 还 不 至 于 影 响太 多 ， 而 要 发 出 与 琴 弦 固 有 频 率 不 同 的 声 响 却 是 十 分 困 难 的 ， 此时 弦 上 各 点 的 振 动 状 态 十 分 复 杂 、 混 乱 ， 即 使 振 动 起 来 ， 各 点 对空 气 的 推 动 不 是 齐 心 合 力 的 ， 发 声 效 率 很 低 。 天 线 也 是 同 样 ， 要 使 天 线 发 射 的 电 磁 场 最 强 ， 一 是 发 射 频 率必 须 和 天 线 的 固 有 频 率 相 同 ， 二 是 驱 动 点 要 选 在 天 线 的 适 当 位 置 。如 果 驱 动 点 不 恰 当 而 天 线
17、 与 信 号 频 率 谐 振 ， 效 果 会 略 受 影 响 ， 但是 如 果 天 线 与 信 号 频 率 不 谐 振 ， 则 发 射 效 率 会 大 打 折 扣 。 所 以 ， 在 天 线 匹 配 需 要 做 到 的 两 点 中 ， 谐 振 是 最 关 键 的 因 素 。9在 早 期 的 发 信 机 ， 例 如 本 期 介 绍 的 71 型 报 话 机 中 ， 天 线 电路 只 用 串 联 电 感 、 电 容 的 办 法 取 得 与 工 作 频 率 的 严 格 谐 振 ， 而 进一 步 的 阻 抗 配 合 是 由 线 圈 之 间 的 固 定 耦 合 确 定 死 的 ， 在 不 同 频 率下
18、未 必 真 正 达 到 阻 抗 的 严 格 匹 配 ， 但 是 实 际 效 果 证 明 只 要 谐 振 就足 以 好 好 工 作 了 。 因 此 在 没 有 条 件 做 到 VSWR 绝 对 为 1 时 ， 业 余 电 台 天 线 最 重要 的 调 整 是 使 整 个 天 线 电 路 与 工 作 频 率 谐 振 。 天 线 的 驻 波 比 和 天 线 系 统 的 驻 波 比天 线 的 VSWR 需 要 在 天 线 的 馈 电 端 测 量 。 但 天 线 馈 电 点 常 常 高悬 在 空 中 ， 我 们 只 能 在 天 线 电 缆 的 下 端 测 量 VSWR， 这 样 测 量 的 是包 括 电
19、 缆 的 整 个 天 线 系 统 的 VSWR。 当 天 线 本 身 的 阻 抗 确 实 为 50欧 姆 纯 电 阻 、 电 缆 的 特 性 阻 抗 也 确 实 是 50 欧 姆 时 ， 测 出 的 结 果是 正 确 的 。 当 天 线 阻 抗 不 是 50 欧 姆 时 而 电 缆 为 50 欧 姆 时 ， 测 出 的VSWR 值 会 严 重 受 到 天 线 长 度 的 影 响 ， 只 有 当 电 缆 的 电 器 长 度 正 好为 波 长 的 整 倍 数 时 、 而 且 电 缆 损 耗 可 以 忽 略 不 计 时 ， 电 缆 下 端 呈现 的 阻 抗 正 好 和 天 线 的 阻 抗 完 全 一
20、 样 。 但 即 便 电 缆 长 度 是 整 倍 波长 ， 但 电 缆 有 损 耗 ， 例 如 电 缆 较 细 、 电 缆 的 电 气 长 度 达 到 波 长 的10几 十 倍 以 上 ， 那 么 电 缆 下 端 测 出 的 VSWR 还 是 会 比 天 线 的 实 际VSWR 低 。 所 以 ， 测 量 VSWR 时 ， 尤 其 在 UHF 以 上 频 段 ， 不 要 忽 略 电 缆的 影 响 。 不 对 称 天 线我 们 知 道 偶 极 天 线 每 臂 电 气 长 度 应 为 1/4 波 长 。 那 么 如 果 两臂 长 度 不 同 ， 它 的 谐 振 波 长 如 何 计 算 ？ 是 否
21、会 出 现 两 个 谐 振 点 ？ 如 果 想 清 了 上 述 琴 弦 的 例 子 ， 答 案 就 清 楚 了 。 系 统 总 长 度 不足 3/4 波 长 的 偶 极 天 线 （ 或 者 以 地 球 、 地 网 为 镜 象 的 单 臂 天 线 ）只 有 一 个 谐 振 频 率 ， 取 决 于 两 臂 的 总 长 度 。 两 臂 对 称 ， 相 当 于 在阻 抗 最 低 点 加 以 驱 动 ， 得 到 的 是 最 低 的 阻 抗 。 两 臂 长 度 不 等 ， 相当 于 把 弓 子 偏 近 琴 马 拉 弦 ， 费 的 力 不 同 ， 驱 动 点 的 阻 抗 比 较 高 一些 ， 但 是 谐 振
22、 频 率 仍 旧 是 一 个 ， 由 两 臂 的 总 长 度 决 定 。 如 果 偏 到极 端 ， 一 臂 加 长 到 1/2 波 长 而 另 一 臂 缩 短 到 0， 驱 动 点 阻 抗 增 大到 几 乎 无 穷 大 ， 则 成 为 端 馈 天 线 ， 称 为 无 线 电 发 展 早 期 用 在 汽 艇上 的 齐 柏 林 天 线 和 现 代 的 1/2 波 长 R7000 垂 直 天 线 ， 当 然 这 时 必须 增 加 必 要 的 匹 配 电 路 才 能 连 接 到 50 欧 姆 的 低 阻 抗 发 射 机 上 。 偶 极 天 线 两 臂 不 对 称 ， 或 者 两 臂 周 围 导 电 物 体 的 影 响 不 对 称 ，会 使 谐 振 时 的 阻 抗 变 高 。 但 只 要 总 电 气 长 度 保 持 1/2 波 长 ， 不 对
