[经验]

日本购F35对抗中国美称最好结果也只是与苏35打平

吴楚怡

2025-3-28 14:42:40

1633 RF 射频驻波比回波损耗电阻

在本次文章中，我们将深入探讨电压驻波比（VSWR）和回波损耗（Return Loss）的技术概念及其测量方法。这两个参数与射频功率传输密切相关，而高效功率传输是射频系统设计中的核心目标之一。

匹配的概念：

当射频功率源与负载（即功率接收端）的阻抗匹配时，能够实现最大射频功率传输。此时，源发出的所有功率均被负载吸收，这通常是我们期望的理想状态。在射频领域，标准阻抗通常设定为50欧姆，不过在某些系统中，例如有线电视系统，则采用75欧姆作为标准阻抗。

然而，若源与负载的阻抗不匹配，又会引发何种情况呢？在这种情形下，阻抗不匹配将导致部分前向功率被负载反射回源，这种反射回来的功率被称为反射功率或反向功率。反射功率通常是我们不希望出现的，因为在大多数情况下，我们不期望功率从负载反射回源。所以在很多射频领域线路中都需要进行阻抗匹配。

复数阻抗

到目前为止，我们所讨论的阻抗均为纯电阻性质，然而在实际应用中，每个负载阻抗均为复数阻抗，由实数部分的电阻和虚数部分的电抗组成。复数阻抗的匹配是通过所谓的复共轭来实现的，即将虚数部分的符号进行反转。

在此，我们不妨暂停一下，对阻抗进行简要回顾。阻抗Z是一个复数值，由电阻R（不随频率变化）和电抗X（随频率变化）两部分组成。电抗又可分为容性电抗和感性电抗，这通常是由电容器和电感器产生的。复数阻抗不仅有大小，还有方向，由于电抗的存在，总阻抗会随频率而变化。

阻抗随频率变化的程度取决于负载的特性。例如，假负载通常是一个高度电阻性的负载，设计为在很宽的频率范围内保持恒定的阻抗。而大多数天线的阻抗会随着频率发生显著变化，因此它们通常具有指定的频率范围，在此范围内才能正常工作。此外，实际应用中天线的阻抗还受到其相对于地平面或其他附近物体的放置位置的影响。

因此，如果我们使用主要电阻性的假负载作为负载，即使我们将频率从100M赫兹调整到200M赫兹、500M赫兹，甚至1G赫兹，反射功率的水平仍然会保持较低且大致相同。然而，如果我们使用天线作为负载，反射功率的水平将随频率变化而变化。在这个例子中，在100M赫兹时，反射功率仅为4瓦；在200M赫兹时，反射功率下降到不足1瓦；但在500M赫兹时，反射功率增加到25瓦，并在1G赫兹时进一步增加到50瓦。

大多数实际设备介于这两种情况之间：

一种是阻抗随频率变化很小；

另一种是阻抗随频率变化很大或呈现不规则变化。

回波损耗（Return Loss）

因此，我们需要一种方法来量化反射功率的水平，并且通常是将这一水平与前向功率的水平进行对比。

实际上，这种关系有两种不同的量化方式：回波损耗和电压驻波比（通常称为VSWR或VISWARP）。我们先来探讨回波损耗。

回波损耗表示传输功率与反射功率之间的差值（以分贝为单位，前期已介绍分贝，更多RF内容请看合集：###）。具体而言，前向功率减去反射功率即为回波损耗。

例如，若前向功率为50dBm，反射功率为10dBm，则回波损耗为40dB。

较大的回波损耗值意味着反射的功率较少，因此我们通常追求尽可能高的回波损耗值。当然，回波损耗必须始终为正数，因为反射功率总是小于前向功率。即使在负载反射100%前向功率的情况下，从源到负载再返回的路径上仍会有一定的功率损失。

电压驻波比（VSWR）

另一个用于测量或量化反射功率水平与前向功率水平关系的参数是电压驻波比（VSWR）。在VSWR的图形表示中，蓝色轨迹代表前向波电压，红色轨迹代表反射波电压，紫色轨迹则是线上的合成电压。需要注意的是，前向和反射电压的幅度保持恒定，但合成电压的幅度（紫色轨迹）随时间上升和下降，形成所谓的驻波电压。驻波比即为驻波中最高电压与最低电压的比值。例如，若峰值为3，最小值为1，则VSWR比值为3。

过去，计算VSWR需要在传输线的不同点进行电压测量，但现在使用网络分析仪可以自动测量和计算VSWR。从数学角度讲，我们通过确定反射系数Γ来计算VSWR，Γ是负载阻抗ZL和源阻抗Z0的函数。这些阻抗是复数且跟频率相关的值。一旦我们获得了Γ，就可以将其代入另一个简单的方程来计算VSWR。此外，我们还可以轻松地在VSWR和回波损耗之间进行转换。

现在我们已经掌握了如何计算VSWR，接下来让我们看看当VSWR增加时会发生什么。如果源和负载的阻抗匹配，那么VSWR为1，此时没有反射功率，所有功率都被负载吸收，没有反射回源。当VSWR比值为1.5时，只有4%的总功率被反射。而当VSWR比值达到3时，四分之一的前向功率被反射回源，这在许多应用中仍然是可以接受的。

但随着VSWR的进一步增加，反射功率的百分比会急剧上升。当VSWR比值为6时，只有大约一半的前向功率被负载吸收，其余的前向功率被反射回源。当VSWR等于10时，三分之二的前向功率被反射回源。

关于VSWR，有两个特殊情况值得一提。

首先是短路，此时负载阻抗为零，Γ为-1。其次是开路，负载阻抗为无穷大，Γ为1。将1或-1代入VSWR方程，会得到相同的VSWR无穷大，这意味着100%的前向或传输功率被反射回源。显然，这种情况通常是不希望出现的。

那么，撇开这两个极端情况不谈，我们通常如何应对反射功率呢？一种方法是在源和负载之间放置一个调谐或匹配网络。匹配网络由电容和电感等阻抗元件组成，通过添加这些元件可以使负载阻抗与源阻抗匹配。例如，我们希望将复数负载阻抗转换为与纯电阻性的50欧姆源阻抗匹配，通过选择匹配网络中的适当值，可以改变整体的负载阻抗以匹配源阻抗。

另一种减少反射功率的方法是降低传输功率的水平，这被称为功率回退，主要用于高功率源，如宽带放大器。功率回退的主要目的是保护源免受高反射功率的影响，这可能导致性能下降，甚至在某些情况下造成永久性损坏。例如，假设源的最大安全反射功率为40瓦。如果失配程度较低，VSWR等于15，那么在100瓦的前向功率下，只有4瓦的功率会被反射回源。但如果VSWR增加到6，50瓦的反射功率将超过这个安全极限。通过将传输功率降低到80瓦，反射功率将再次回到安全限制范围内。

总结一下我们今天所讲的内容：

1、当源和负载的阻抗匹配时，能够实现最大射频功率传输。

2、由于阻抗是复数且随频率变化的值，因此匹配是通过复共轭实现的，即反转阻抗的电抗或虚数部分的符号。

3、源和负载之间的不匹配会导致部分传输或前向功率被负载反射并返回给源，不匹配程度越大，反射程度就越大。我们可以将反射功率量化为回波损耗或电压驻波比（VSWR）。这两种量之间的转换非常直接。不匹配的负载和反射并不罕见，减少反射功率的两种主要方法是使用匹配网络和功率回退。

这便是本篇文章关于VSWR和回波损耗的内容，更多RF内容请关注公众号准测仪器（ fszhunce ）

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