Rf解密—瞭解波反射

作者:ADI 現場應用工程師Anton Patyuchenko


問題:

波反射——為何在RF設計中理解這個概念非常重要?

RAQ Issue 197: RF Demystified—Understanding Wave Reflections

答案:

本文針對非RF工程師簡單介紹了與RF設計固有的關鍵特性相關的術語:波反射。在低頻下工作的普通電路與針對RF頻率設計的電路之間的關鍵區別在於它們的電氣尺寸。RF設計可採用多種波長的尺寸,導致電壓和電流的大小和相位隨元件的物理尺寸而變化。這為RF電路的設計和分析提供了一些基礎的核心原理特性1

基本概念和術語

假設以任意負載端接傳輸線路(例如同軸電纜或微帶線),並定義波量a和b,如圖1所示。

Figure 1. Transmission line with a matched signal source terminated in a single-port load.
圖1.以單埠負載端接匹配訊號源的傳輸線路。

這些波量是入射到該負載並從該負載反射的電壓波的複振幅。我們現在可以使用這些量來定義電壓反射係數Γ,它描述了反射波的複振幅與入射波複振幅的比值:

 

Equation 1

 

反射係數也可以用傳輸線路Z0的特徵阻抗和負載ZL的複雜輸入阻抗表示為:

 

Equation 2

 

RF工程一般採用Z0 = 50 Ω,這是訊號衰減和功率處理容量之間的折衷選擇,可以透過同軸傳輸線路實現。但是,在有些應用中,例如,在需要遠距離傳輸RF訊號的廣播系統中,Z0 = 75 Ω是更常見的選擇,以減少電纜損耗。

無論特徵阻抗的值為何,如果負載阻抗相同(ZL = Z0),則表示該負載與傳輸線路匹配。需要注意的是,只有在訊號源與傳輸線路匹配時這個條件才有效,如圖1所示,本文也做了這一假設。在這種情況下,不會產生任何反射波(Γ = 0),負載從訊號源接收到的功率最大,而在全反射(|Γ| = 1)的情況下,根本不會向負載輸送任何功率。

如果負載不匹配(ZL ≠ Z0),則不會接收到全部入射功率。相應的功率「損耗」稱為回波損耗(RL),它與反射係數的大小相關,可透過如下公式表示:

 

Equation 3

 

回波損耗是指負載上的入射功率與反射回來的功率之比。回波損耗始終是非負值,表示負載與朝向源極的負載上「顯示」的網路阻抗之間的匹配程度。

如果負載不匹配,反射波的存在會導致駐波,從而導致電壓振幅不穩定,會隨線路位置而變化。用於量化線路阻抗不匹配的參數稱為駐波比(SWR),定義如下:

 

Equation 4

 

由於我們通常用最大和最小電壓來解析SWR,因此該量也稱為電壓駐波比(VSWR)。SWR是一個實數,取值範圍從1到無窮,其中SWR = 1表示負載匹配。

結論

RF電路具有許多與普通電路不同的基本特性。設計和分析微波電路需要使用擴展概念來解決實際相關的問題。本文介紹和探討了與RF系統的一個主要特性波反射相關的一些重要概念和術語。

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參考資料

1 M. S. Gupta。 「RF是什麼?」 IEEE微波雜誌,第2卷第4期,2001年12月。

Hiebel, Michael。 向量網路分析基礎。Rohde & Schwarz,2007年。

Pozar, David M。 微波工程,第4版。Wiley,2011年。