射频天线设计-Г、RL、VSWR、S

《射频&天线设计-Г、RL、VSWR、S》

一、传输线基本概念

对于低频信号来说，信号波长>>线长，其电压/电流测试值的大小与测试位置无关：

而对于高频信号来说，信号波长 ≈ or <<线长，特性阻抗Z0反映了传输线的传输特性，其信号包络电压与传输线的测试位置相关：

二、信号的反射

对传输线信号反射有三种现象：全反射、全匹配及部分反射。下面一一解说：

1、全反射：传输线终端开路或短路，所有传播信号(Vinc)都被反射(Vrefi)回入射端。
对于开路反射信号来说是同相(0°)，对于短路反射信号来说是反相(180°)；此时传输线上会形成驻波，反映在史密斯圆图上分别为开路点(+∞,0)和短路点(-∞,0)：

2、全匹配：传输线终端接匹配负载，此时所有入射功率被负载吸收，传输线上形成行波。反映在史密斯圆图上为原点(0,0)：

3、部分反射：传输线终端接其他负载时，部分传播信号被反射回入射端，传输线上形成行驻波。反映在史密斯圆图上就是偏离原点的某个点：

对于阻抗匹配的解说可以查看《射频&天线设计-阻抗匹配》。

三、反射系数(Γ)

反射系数(Γ)定义为反射波电压和入射波电压的比值：

反射损耗(-20lg(ρ))定义为功率比值：

            ρ = |Γ|ρ = sqrt(Pr / Pt)ρ = |S11|（匹配时）

阻抗是复数，反射系数也是复数；完全匹配的情况下，反射系数为0：

四、回波损耗(Return Loss)

回波损耗定义为入射功率和反射信号功率的比值，并以dB的形式表示：
RL = 10lg(Pt / Pr)
RL = -20lg(ρ) = -20lg(|S11|)
我们在仿真分析或者矢网测试回波损耗的时候，为了方便，通常给出的是20lg(|S11|)的值。
也就是说用矢网测的RL因为没有-号，所以越小匹配越好。

五、电压驻波比(VSWR)

电压驻波比定义为天线输入端口处电压最大值（波腹电压）和电压最小值（波节电压）的比值：

电压驻波比的变化范围为1 ~ +∞；完全匹配的情况下，VSWR为1;完全失配（全反射）时为无穷大。

六、S参数

S参数是建立在入射波和反射波关系基础上的网络参数，用于微波射频电路的分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述微波网络，具体定义如下：
S11 = 输入端反射系数（输入匹配）
S22 = 输出端反射系数（输出匹配）
S21 = 正向传输系数（增益或插损）
S12 = 反向传输系数（隔离）

当输出端口匹配时，输入端口S11和反射系数ρ满足ρ = |S11|。
回波损耗用S11表示如下：
RL = -20lg(|S11|)

在Smith圆图中，可以使用S11参数来表示归一化阻抗值和衡量匹配性能的好坏。

七、S11、ρ、RL、VSWR总结

四者其实都是要反映匹配的好坏程度：
阻抗：共轭阻抗点，天线设计匹配到50Ω
反射系数越小，匹配越好
回波损耗越大，匹配越好
电压驻波比越接近于1，匹配越好
四者关系图：
ρ = |S11|
RL = -20lg(ρ) = -20lg(|S11|)
VSWR = (1+ρ)/(1-ρ)
ρ = (VSWR-1)/(VSWR+1)

关系速查表：

VSWR	反射系数	回波损耗	反射功率
1	0	+∞	0
1.5	0.2	14.0	4%
2	0.33	9.5	11.1%
3	0.50	6	25.0%
5	0.67	3.5	44.9%

让厂家设计时工作频段内至少满足：VSWR≤2，RL≥10dB，天线效率>40%，对于尺寸，接地平面稍大的模组要求天线效率不低于50%。

推荐阅读：
《射频&天线设计-802.11初识》
《射频&天线设计-阻抗匹配》
《低压系统内设备的绝缘配合笔记一》

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