回波损耗、反射系数、电压驻波比以及S参数的物理意义

1、回波损耗、反射系数、电压驻波比以与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S12二S21,对于对 称网络有S11二S22,对于无耗网络，有S11*S11+S21*S21 二1,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S12二S21,对于对称网络 有S11二S22,对于无耗网络，有S 11*S11+S21*S21二1,即 网络不消耗任何能量，从端口1输入的能

2、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S12二S21。假设Port1为信号输入端口，Port2为信号 输出端口，那么我们关心的，参数有两个:S11和S21, S11 表示回波损耗，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-3dB,如果网络是 无耗的，那么只要Port1上的反射很小，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，即使在Port1上没有反射，经过长

3、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拟大，S参数 的指标只要在由信号的边缘速率表示的EMI发射带宽围满足 要求就可以了。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

4、/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)S11=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匚 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

5、之间的比值，而回波损耗是从功率 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展描述，取决于怎 样方便，以与习惯如何。回波损耗与VSWR之间的转换关系, 读者可以采用上面的式子1和2来手动计算。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，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一 个均出于习惯。通常用

6、的较多的是驻波比和回波损耗。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二电压最 大值/电压最小值二Umax/Umin2.2行波系数:K二电压最小值/电压最大值二 Umin/Umax二（入射波振幅-反射波振幅）/（反射波振幅+入射波振幅）2.3 反射系数:

7、P二反射波振幅/入射波振幅二（传输线特性阻抗-负载阻抗）/（传输线特性阻抗+负载阻抗） 即P二|Zb-Za/Zb+Za|取绝对值2.4回波损耗： L二1/P 二 |Zb+Za/Zb-Za| 2.5 驻波比与反射系数： S二1+P/1-PVSWRVSWR 翻译为电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio）, 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局部被反射，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：VSWR=（1 + 反射系数模值）/（1-反射系数模值。而入射波

8、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展联络 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？为什么 大小81这类老式的

9、军用电台上没有驻波表？ VSWR与标 称阻抗发射机与天线匹配的条件是两者阻抗的电阻分量一样、感抗 局部互相抵消。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那么多为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

10、拟VSWR的值没有意义正因为VSWR除了 1以外的数值不值得那么准确地认定除 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都二1不等于都是好天线 影响天线效果的最重要因 素：谐振让我们用弦乐器的弦来加以说明。无论是提琴还是 古筝，它的每一根弦在特定的长度和力下，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 振动方向的力最大。中间摆动最大，但振动力最松弛。这相 当于自由谐振的总长度为1/2波长的

11、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，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

12、率 必须和天线的固有频率一样，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，那么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。 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、电容的方法取得与工 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

13、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 度达到波长的几十倍以上，那么电缆下端测出的VSWR还是 会比天线的实际

14、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？是否会出现两个谐振 点？/xx 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 点的阻抗比拟高一些，但是谐振频率仍旧是一个，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

15、动点阻抗增大到几乎无穷大，那么成为端馈天 线，称为无线电开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，不对称不是十分严重，那么虽然特性阻抗会变高，一定 程度上影响VSWR，但是实际发射效果还不至于有十清楚显 的恶化。QRPer不必苛求VSWR当VSWR过高时，主要是天线系统不谐振时，因而阻抗存在 很大电抗分量时，发射机末级器件可能需要承受较大的瞬间 过电压。早期技术不很成熟时，高VSWR容易造

16、成射频末级 功率器件的损坏。因此，将VSWR控制在较低的数值，例如 3以，是必要的。现在有些设备具有比拟完备的高VSWR保护，当在线测量到 的VSWR过高时，会自动降低驱动功率，所以烧末级的危险 比20年以前降低了很多。但是仍然不要大意。不过对于QRP玩家讲来，末级功率有时小到几乎没有烧末级的可能 性。移动运用时要将便携的临时天线调到VSWR二1却因为 环境的变幻而要绞尽脑汁。这时不必太丧气。1988 - 1989 年笔者为BY1PK试验4W的CW/QRP,使用长度不足1.5米 的三楼窗帘铁丝和长度为1.5米左右的塑料线做馈线，用串 并电容的方法调到天线电流最大，测得VSWR为无穷大，却 也联

17、到了治、VK、U9、OH等电台。后来做了一个小天调， 把VSWR调到1,但比照试验中远方友台报告说，VSWR的 极大变化并没有给信号带来什么改良，好似信号还变弱了 些，可能本来就微弱的信号被天调的损耗又吃掉了一些吧。总之，VSWR道理多多。既然有了业余电台，总是免不了和 VSWR打交道，不妨多观察、积累、交流各自的心得吧。天 线系统和输出阻抗天线系统和输出阻抗为50欧的发信机的匹配条件是天线系 统阻抗为50欧纯电阻。要满足这个条件，需要做到两点： 第一，天线电路与工作频率谐振否那么天线阻抗就不是纯 电阻；第二，选择适当的馈电点。一些国外杂志文章在介绍天线时经常给出VSWR的曲线。有 时会因此产生一种错觉，只要VSWR二1,总会是好天线。其 实,VSWR二1只能说明发射机的能量可以有效地传输到天线 系统。但是这些能量是否能有效地辐射到空间，那是另一个 问题。一副按理论长度作制作的偶极天线，和一副长度只有 1/20的缩短型天线，只要采取适当措施，它们都可能做到 VSWR二1,但发射