特征阻抗、VSWR和反射系数的那点事!

电子万花筒 2022-09-24 08:16
电子万花筒平台核心服务

 中国最活跃的射频微波天线雷达微信技术群

电子猎头:帮助电子工程师实现人生价值! 

电子元器件:价格比您现有供应商最少降低10%

射频微波天线新产品新技术发布平台:让更多优秀的国产射频微波产品得到最好的宣传!发布产品欢迎联系管理,专刊发布!强力曝光!

小电招聘:一个专注于快速帮助电子工程师找到理想工作的栏目即将上线,敬请工程师们关注!



在学习射频和微波的基本原理过程中,也许没有比理解特性阻抗的概念更为重要了。当我们在谈论50欧姆或75欧姆电缆时,其实我们是在说电缆的特征阻抗为50欧姆,75欧姆等。也许您还记得,在关于特性阻抗常见的介绍里,总是成片的数学公式和各种参数,以及几句聊胜于无的文字介绍,实在令人沮丧。于是本文,我们尝试用一种更为直观的方式来做一下阐释。

首先我们要明确,在今天的RF /微波系统中使用50欧姆或者75欧姆是人为的选择。其实比如说像43欧姆或者其他数值的阻抗也是可以的,但考虑到实际同轴电缆的物理尺寸,这个范围被限制在20至200欧姆以内。对于传输线而言,尽可能低的损耗和高的功率容量自然是我们期待的,从下图我们可以看出,考虑到方便计算,损耗和功率容量等等因素之后,50欧姆确实是最完美的折中了(针对空气介质)。至于75欧姆,则常见于不需要大功率传输的情况,例如有线电视线缆。

图1

但有一点要提醒的是特性阻抗的概念其实很广,包括所有的同轴线,印制电路板传输线、微带、带状线、双引线和双绞线。如果您自己设计PCB的传输线的话,您可以选择自己需要的值,而不必非得是50或者75欧姆。甚至自由空间本身也具有阻抗特性,在自由空间和其他无界介质的情况下,该阻抗我们称为固有阻抗。

使用50欧姆同轴电缆的一个实验

 

如果有人拿着一根1000英尺长的电缆对你说“这是50欧姆阻抗的电缆,好好用吧”,然后你决定拿着欧姆表来验证一下是否真的如此。你将欧姆表的两根引线分别连到电缆的内导体和外导体,而线缆的尾端保持着开路,你会惊讶地看到它读到接近无限阻抗!然后你再把尾端处的内外导体短接,然后从这一头的开口端再测,现在读数变成接近零欧姆了,怎么会这样!然后你赶紧安慰自己‘不要慌,其实它真的应该是50欧姆的……

 

您的仪表没有告诉您电缆为50欧姆的原因是它无法读取瞬时电压/电流比(V = IR)。其实普通的欧姆表具有非常高的内阻,欧姆表中的任何电容将与内部电阻结合会形成非常大的时间常数。这种大的时间常数使得这种类型的仪器不可能快速响应,以便在连接欧姆表导线的那一刻“看到”在同轴线上引入的高速脉冲。

所以我们不能使用常规的欧姆表测试方法来进行测试,于是我们将采用图2的电路方案。该电路允许我们通过切换开关来产生电流脉冲。星号表示希望观察和测量当前的位置。

2

我们将假设开关已经处于放电位置很长时间,确保同轴电缆上不存在电压。现在,如果我们将开关转到CHARGE(充电),会发生什么?此时开关将电池(+)连接到同轴电缆的中心导体,它开始该同轴电缆进行充电,类似于对电容器充电。然后,我们可以通过将中心导体短路到屏蔽线、关闭电池或切换开关到放电位置来放电。

 

这样,通过操作图2的简单开关,我们可以在同轴电缆上引入电流“脉冲”。如果您在开关首次连接到CHARGE(充电)时测量中心导线中的电流,您将看到将达到最大值Imax = Vbat / Zo的电流脉冲,其中Zo是同轴电缆的特性阻抗Vbat是电池电压。有时,特性阻抗称为同轴电缆的浪涌阻抗。

 

那究竟是同轴电缆的什么特性对浪涌电流形成如上式的约束关系,换句话说为什么同轴电缆不能‘立即’充电?为了回答这个问题,我们来对比一下一个理想电容器的充电方式和按照图1连接开关电路同轴电缆。

 

理论上,如果把一个理想电容和一个同样理想的电源相连,在那一刻的瞬时电流将会无穷大,电容器将立即完成充电。当然这里的假设是理想电容器在电流路径中具有零电阻和零电感,并且物理长度被视为零,这样电流脉冲不会在空间中传播。而我们实际的同轴线缆有单位长度的电阻分量和电感分量,并具有物理长度,这些因素都导致浪涌电流产生迟滞。


无限长度同轴电缆的等效电路

 

 从上述讨论中,我们可以构建一个理想的电路,如图3理想情况下,这里我们认为同轴电缆是无损的,电阻和电容也是理想的,没有寄生电感,电容和电阻分量黑盒1包含无限长度的同轴电缆,另一个黑盒中是一小段同轴电缆电缆尾部的内部导体和外部屏蔽层之间连接有串联RC网络。串联电阻R等于同轴电缆特性阻抗Z欧姆,串联电容无限大。在我们使用欧姆表,电压表,示波器,时域反射计,网络分析仪等等仪器之后,可以看出测量结果没有差异,我们得出结论,两个黑箱含相同的物理电路或电缆长度。

3

测量同轴电缆阻抗的其他方法

 

浪涌电流法并不是测量同轴电缆特性阻抗的通常方法,但它确实可行,并具有直观的吸引力。另一种方法是测量其每单位长度的电感和电容; L除以C之后的的平方根将以欧姆(不是法拉或亨利)为单位

为什么不同的电缆具有不同的特性阻抗呢?就是因为每单位长度具有不同的电容和电感。 对于同轴电缆,这将由内/外导体比和同轴电缆导体之间材料的介电常数决定对于微带线,主要是PCB板的传输线宽度,介电常数和PC板的厚度决定。

 

VSWR,告诉我们理想阻抗究竟还有多远

 

也许现在您了解了50欧姆”电缆的意义,甚至您现在希望在所有的布线,连接和设备中力求“完美的50欧姆”了,可是实际上没有同轴电缆,连接器,放大器等等都正好是50欧姆。所以我们需要一种参数能告诉我们究竟离50欧姆有多远。最常见的方式是VSWR电压驻波比),一个听起来有点复杂的名字我们希望通过掌握VSWR的概念能更加合理的理解我们的阻抗和理想值的接近程度,它的概念适用于任何特性阻抗,50欧姆或其他。

同轴电缆和50MHz正弦波发生器

 

让我们来看一个VSWR的例子,我们取一段20英尺长的50欧姆同轴线缆,将其一端按照图4所示连接起来,和图2相比,开关和电池已被50欧姆电阻和产生正弦波的信号源代替。我们这里假定信号源是理想的,内阻为50欧姆”,也就是没有寄生电感或电容元件分量。同轴线另一端保持开路,正弦波源频率设置为50 MHz。虽然这里任何频率都可以,但是50 MHz是测试大多数同轴电缆的不错频点

 

当我们接通信号源,正弦波开始向电缆的开路端“传播”,就像我们之前的脉冲一样。当正弦波到达电缆的末端时,它被完全“反射”回来,并朝着信号发生器传输,一旦回到发生器之后,就会在50欧姆的内阻作用下变成热量,这也许听起来有点荒唐,但却是事实。

 

举个例子,当海浪撞到垂直的海墙时,会发生类似的现象。当波浪进来,撞到墙上,出现一个新的浪潮,返回大海。如果是冲上一个很好的渐变海滩,海浪逐渐消失,很少或甚至没有反射的海浪波纹。你可以说,一个渐变的海滩和大海一样,具有典型海浪波的特征阻抗。

4

现在我们重复同样的实验,只是末端的开路换成短路,这次我们再一次看到正弦波被全反射回来并被发生器50欧姆的内阻所消耗,和之前开路的情况不同的是,这次的信号有180度的反转。

 

所以当同轴线开路或者短路,我们的正弦波都会被全反射回来,我们定义这种情况下VSWR为无穷大:1。现在我们在同轴线末端连接一个理想的50欧姆电阻,相当于同轴线以其自身的特性阻抗结束,我们所施加的正弦波也会因此在这个末端被消散,也就是零反射。就像是我们欺骗了这个正弦波,它以为在它面前的依然是无穷长的线缆……至此,其实我们再一次验证了图3中第二个黑箱中的等效电路。而这种终端完美匹配、无反射的情况,我们定义为最低的VSWR,写作1:1.

 

反射系数,回波损耗和匹配损失

 

另一个紧密相关的参数是反射系数。这个参量是一个矢量,不仅记录了反射波的大小,还记录了相对于波源的相位变化。而VSWR是一个标量,仅测量幅度。我们是可以通过反射系数计算出VSWR的(见下文。表1显示反射损失和不匹配损失。回波损耗(RL)用来表示有多少功率从负载或终端反射回来了,若是端接或负载越接近“理想”的同轴线特性阻抗,反射功率越低。我们以入射功率参考基准所以RL可以用dB的关系来表示,因为是反射,通常为负值。如果RL已知,我们就可以计算出VSWR。如果RL 低于-15dB,我们就认为是完全可以接受的。

 

不匹配损耗(ML)表示当信号(正弦波)穿过特性阻抗遇到明显变化时,功率损失多少。毕竟对于一个系统而言,不可能所有的接头还有接触都是完美的。回到现实世界,我们已经知道,没有完美的末端匹配没有完美的50欧姆电阻。我们来看看当我们在50欧姆的同轴电缆连接真实世界的终端匹配时,会发生什么,一点点轻微的偏差还是更多?

 

75欧姆终端阻抗连接到50Ω电缆

 

首先75欧姆是相当接近50欧姆的,如果你使用下表中的公式来计算的话,VSWR=1.5:1,有一些波被反射回来了,但还不算太多。事实上1.5:1的VSWR算是一个非常不错的指标了,如果您计算反射功率,足足比输入功率小了14dB!许多商用独立RF放大器(MMIC)也是勉强达这个指标到或者更差,而这些产品都被厂商宣称是50欧姆系统部件!所以我们希望您能对50欧姆的具体应用更加宽容一些,下面这个实例讲述的就是我们在不完全按照特性阻抗完美匹配原则下做的事情。

 

示例,卫星电视IF信号电缆传输

 

一个卫星电视系统通常在低噪放大器(LNA /低噪模块下变频器(LNB)之后使用75欧姆同轴电缆。但是在安装过程中我们需要在LNB和IF解码单元之间加一段50英尺的同轴。这里我们希望采用小型轻便的50欧姆同轴线方案而不是笨重的75欧姆方案,下表1就总结了本例还有之前讨论的结果。

 

我们可以看出不匹配损耗ML只有0.2dB,要知道IF解码器接收的是在之前被下变频后低得多信号频率,并且在LNB模块中还有许多预置的增益放大器。这个增益放大器有两个功能,一是设置LNB系统的噪声系数,二是起到对向下传输方向反射的隔离。

 

所以总的来说,即使由于失配损耗而导致某些功率损失,我们也有足够的能力利用接收器链中的高增益放大器弥补回来。对于反射信号,LNB的高隔离度可以保护系统免受不利影响。别担心!

来源:虹科电子测试测量

欢迎射频微波雷达通信工程师关注公众号



中国最纯粹的射频微波雷达通信工程师微信技术群,欢迎您的加入,来这里一起交流和讨论技术吧!进群记得备注方向和公司名称哦,我们将邀请您进细分群!

用手指按住就可以加入微信技术群哦!



电子万花筒平台自营:Xilinx ALTERA ADI TI ST NXP 镁光 三星 海力士内存芯片 等百余品牌的电子元器件,可接受BOM清单,缺料,冷门,停产,以及国外对华禁运器件业务!


欢迎大家有需求随时发型号清单,我们将在第一时间给您呈上最好的报价,微信(QQ同号):1051197468 也希望您把我们的微信推荐给采购同事,感谢对平台的支持与信任!


与我们合作,您的器件采购成本将相比原有供应商降低10%以上!!不信?那您就来试试吧!!欢迎来撩!!



电子万花筒 电子万花筒,每个电子工程师都在关注的综合型技术与行业服务平台!
评论
  • 本文介绍瑞芯微开发板/主板Android配置APK默认开启性能模式方法,开启性能模式后,APK的CPU使用优先级会有所提高。触觉智能RK3562开发板演示,搭载4核A53处理器,主频高达2.0GHz;内置独立1Tops算力NPU,可应用于物联网网关、平板电脑、智能家居、教育电子、工业显示与控制等行业。源码修改修改源码根目录下文件device/rockchip/rk3562/package_performance.xml并添加以下内容,注意"+"号为添加内容,"com.tencent.mm"为AP
    Industio_触觉智能 2025-01-17 14:09 190浏览
  • 高速先生成员--黄刚这不马上就要过年了嘛,高速先生就不打算给大家上难度了,整一篇简单但很实用的文章给大伙瞧瞧好了。相信这个标题一出来,尤其对于PCB设计工程师来说,心就立马凉了半截。他们辛辛苦苦进行PCB的过孔设计,高速先生居然说设计多大的过孔他们不关心!另外估计这时候就跳出很多“挑刺”的粉丝了哈,因为翻看很多以往的文章,高速先生都表达了过孔孔径对高速性能的影响是很大的哦!咋滴,今天居然说孔径不关心了?别,别急哈,听高速先生在这篇文章中娓娓道来。首先还是要对各位设计工程师的设计表示肯定,毕竟像我
    一博科技 2025-01-21 16:17 151浏览
  • 现在为止,我们已经完成了Purple Pi OH主板的串口调试和部分配件的连接,接下来,让我们趁热打铁,完成剩余配件的连接!注:配件连接前请断开主板所有供电,避免敏感电路损坏!1.1 耳机接口主板有一路OTMP 标准四节耳机座J6,具备进行音频输出及录音功能,接入耳机后声音将优先从耳机输出,如下图所示:1.21.2 相机接口MIPI CSI 接口如上图所示,支持OV5648 和OV8858 摄像头模组。接入摄像头模组后,使用系统相机软件打开相机拍照和录像,如下图所示:1.3 以太网接口主板有一路
    Industio_触觉智能 2025-01-20 11:04 189浏览
  • 嘿,咱来聊聊RISC-V MCU技术哈。 这RISC-V MCU技术呢,简单来说就是基于一个叫RISC-V的指令集架构做出的微控制器技术。RISC-V这个啊,2010年的时候,是加州大学伯克利分校的研究团队弄出来的,目的就是想搞个新的、开放的指令集架构,能跟上现代计算的需要。到了2015年,专门成立了个RISC-V基金会,让这个架构更标准,也更好地推广开了。这几年啊,这个RISC-V的生态系统发展得可快了,好多公司和机构都加入了RISC-V International,还推出了不少RISC-V
    丙丁先生 2025-01-21 12:10 472浏览
  •     IPC-2581是基于ODB++标准、结合PCB行业特点而指定的PCB加工文件规范。    IPC-2581旨在替代CAM350格式,成为PCB加工行业的新的工业规范。    有一些免费软件,可以查看(不可修改)IPC-2581数据文件。这些软件典型用途是工艺校核。    1. Vu2581        出品:Downstream     
    电子知识打边炉 2025-01-22 11:12 117浏览
  •  万万没想到!科幻电影中的人形机器人,正在一步步走进我们人类的日常生活中来了。1月17日,乐聚将第100台全尺寸人形机器人交付北汽越野车,再次吹响了人形机器人疯狂进厂打工的号角。无独有尔,银河通用机器人作为一家成立不到两年时间的创业公司,在短短一年多时间内推出革命性的第一代产品Galbot G1,这是一款轮式、双臂、身体可折叠的人形机器人,得到了美团战投、经纬创投、IDG资本等众多投资方的认可。作为一家成立仅仅只有两年多时间的企业,智元机器人也把机器人从梦想带进了现实。2024年8月1
    刘旷 2025-01-21 11:15 619浏览
  • 2024年是很平淡的一年,能保住饭碗就是万幸了,公司业绩不好,跳槽又不敢跳,还有一个原因就是老板对我们这些员工还是很好的,碍于人情也不能在公司困难时去雪上加霜。在工作其间遇到的大问题没有,小问题还是有不少,这里就举一两个来说一下。第一个就是,先看下下面的这个封装,你能猜出它的引脚间距是多少吗?这种排线座比较常规的是0.6mm间距(即排线是0.3mm间距)的,而这个规格也是我们用得最多的,所以我们按惯性思维来看的话,就会认为这个座子就是0.6mm间距的,这样往往就不会去细看规格书了,所以这次的运气
    wuliangu 2025-01-21 00:15 299浏览
  • 数字隔离芯片是一种实现电气隔离功能的集成电路,在工业自动化、汽车电子、光伏储能与电力通信等领域的电气系统中发挥着至关重要的作用。其不仅可令高、低压系统之间相互独立,提高低压系统的抗干扰能力,同时还可确保高、低压系统之间的安全交互,使系统稳定工作,并避免操作者遭受来自高压系统的电击伤害。典型数字隔离芯片的简化原理图值得一提的是,数字隔离芯片历经多年发展,其应用范围已十分广泛,凡涉及到在高、低压系统之间进行信号传输的场景中基本都需要应用到此种芯片。那么,电气工程师在进行电路设计时到底该如何评估选择一
    华普微HOPERF 2025-01-20 16:50 119浏览
  • 临近春节,各方社交及应酬也变得多起来了,甚至一月份就排满了各式约见。有的是关系好的专业朋友的周末“恳谈会”,基本是关于2025年经济预判的话题,以及如何稳定工作等话题;但更多的预约是来自几个客户老板及副总裁们的见面,他们为今年的经济预判与企业发展焦虑而来。在聊天过程中,我发现今年的聊天有个很有意思的“点”,挺多人尤其关心我到底是怎么成长成现在的多领域风格的,还能掌握一些经济趋势的分析能力,到底学过哪些专业、在企业管过哪些具体事情?单单就这个一个月内,我就重复了数次“为什么”,再辅以我上次写的:《
    牛言喵语 2025-01-22 17:10 162浏览
  • 故障现象 一辆2007款日产天籁车,搭载VQ23发动机(气缸编号如图1所示,点火顺序为1-2-3-4-5-6),累计行驶里程约为21万km。车主反映,该车起步加速时偶尔抖动,且行驶中加速无力。 图1 VQ23发动机的气缸编号 故障诊断接车后试车,发动机怠速运转平稳,但只要换挡起步,稍微踩下一点加速踏板,就能感觉到车身明显抖动。用故障检测仪检测,发动机控制模块(ECM)无故障代码存储,且无失火数据流。用虹科Pico汽车示波器测量气缸1点火信号(COP点火信号)和曲轴位置传感器信
    虹科Pico汽车示波器 2025-01-23 10:46 60浏览
  • Ubuntu20.04默认情况下为root账号自动登录,本文介绍如何取消root账号自动登录,改为通过输入账号密码登录,使用触觉智能EVB3568鸿蒙开发板演示,搭载瑞芯微RK3568,四核A55处理器,主频2.0Ghz,1T算力NPU;支持OpenHarmony5.0及Linux、Android等操作系统,接口丰富,开发评估快人一步!添加新账号1、使用adduser命令来添加新用户,用户名以industio为例,系统会提示设置密码以及其他信息,您可以根据需要填写或跳过,命令如下:root@id
    Industio_触觉智能 2025-01-17 14:14 140浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦