波反射——为何在RF设计中理解这个概念非常重要？

品慧电子讯本文面向非RF工程师，简单介绍了与RF设计固有的关键特性相关的术语：波反射。在低频下工作的普通电路与针对RF频率设计的电路之间的关键区别在于它们的电气尺寸。RF设计可采用多种波长的尺寸，导致电压和电流的大小和相位随元件的物理尺寸而变化。这为RF电路的设计和分析提供了一些基础的核心原理特性¹。

问题:

波反射——为何在RF设计中理解这个概念非常重要？

答案:

本文面向非RF工程师，简单介绍了与RF设计固有的关键特性相关的术语：波反射。在低频下工作的普通电路与针对RF频率设计的电路之间的关键区别在于它们的电气尺寸。RF设计可采用多种波长的尺寸，导致电压和电流的大小和相位随元件的物理尺寸而变化。这为RF电路的设计和分析提供了一些基础的核心原理特性1。

基本概念和术语

假设以任意负载端接传输线路（例如同轴电缆或微带线），并定义波量a和b，如图1所示。

图1.以单端口负载端接匹配信号源的传输线路。

这些波量是入射到该负载并从该负载反射的电压波的复振幅。我们现在可以使用这些量来定义电压反射系数Γ，它描述了反射波的复振幅与入射波复振幅的比值：

反射系数也可以用传输线路Z₀的特征阻抗和负载Z_L的复杂输入阻抗表示为：

RF工程一般采用Z₀ = 50 Ω，这是信号衰减和功率处理容量之间的折衷选择，可以通过同轴传输线路实现。但是，在有些应用中，例如，在需要远距离传输RF信号的广播系统中，Z₀ = 75 Ω是更常见的选择，以减少电缆损耗。

不管特征阻抗的值是多少，如果负载阻抗相同(Z_L = Z₀)，则表示该负载与传输线路匹配。需要注意的是，只有在信号源与传输线路匹配时这个条件才有效，如图1所示，本文也做了这一假设。在这种情况下，不会产生任何反射波(Γ = 0)，负载从信号源接收到的功率最大，而在全反射(|Γ| = 1)的情况下，根本不会向负载输送任何功率。

如果负载不匹配(Z_L ≠ Z₀)，则不会接收到全部入射功率。相应的功率"损耗"称为回波损耗(RL)，它与反射系数的大小相关，可通过如下公式表示：

回波损耗是指负载上的入射功率与反射回来的功率之比。回波损耗始终是非负值，表示负载与朝向源极的负载上"显示"的网络阻抗之间的匹配程度。

如果负载不匹配，反射波的存在会导致驻波，从而导致电压振幅不稳定，会随线路位置而变化。用于量化线路阻抗不匹配的参数称为驻波比(SWR)，定义如下：

由于我们通常用最大和最小电压来解析SWR，因此该量也称为电压驻波比(VSWR)。SWR是一个实数，取值范围从1到无穷，其中SWR = 1表示负载匹配。

结论

RF电路具有许多与普通电路不同的基本特性。设计和分析微波电路需要使用扩展概念来解决实际相关的问题。本文介绍和探讨了与RF系统的一个主要特性波反射相关的一些重要概念和术语。

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参考资料

¹ M. S. Gupta。 "RF是什么？" IEEE微波杂志，第2卷第4期，2001年12月。

Hiebel, Michael。 矢量网络分析基础。Rohde & Schwarz，2007年。

Pozar, David M。微波工程，第4版。Wiley，2011年。

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