§1 基本知识
1.1 射频网络
这里所指的网络是指一个盒子,不管大小如何,中间装的什么,我们并不一定知道,它只要是对外接有一个同轴连接器,我们就称其为单端口网络,它上面若装有两个同轴连接器则称为两端口网络。注意:这儿的网络与计算机网络并不是一回事,计算机网络是比较复杂的多端(口)网络,这儿主要是指各种各样简单的射频器件(射频网络),而不是互连成网的网络。
1.单端口网络 习惯上又叫负载ZL。因为只有一个口,总是接在最后又称终端负载。最常见的有负载、短路器等,复杂一点的有滑动负载、滑动短路器等。
单端口网络的电参数 通常用阻抗或导纳表示,在射频范畴用反射系数Γ(回损、驻波比、S11)更方便些。 2.两端口网络 最常见、最简单的两端口网络就是一根两端装有连接器的射频电缆。
匹配特性 两端口网络一端接精密负载(标阻)后,在另一端测得的反射系数,可用来表征匹配特性。 传输系数与插损 对于一个两端口网络除匹配特性(反射系数)外, 还有一个传输特性,即经过网络与不经过网络的电压之比叫作传输系数T。
插损(IL) = 20Log│T│dB ,一般为负值,但有时也不记负号,Φ即相移。
两端口的四个散射参量测量 两端口网络的电参数,一般用上述的插损与回损已足,但
对考究的场合会用到散射参量。两端口网络的散射参量有4个,即S11、S21、S12、S22。
S参数的基本定义:
S11: 端口2匹配时,端口1的反射系数Г及输入驻波,描述器件输入端的匹配情况,S11=a2/a1;也可用输入回波损耗RL=-2Olg(ρ)(能量方面的反应)表示。 S22:端口1匹配时,端口2输出驻波,描述器件输出端的匹配情况,S22=b2/b1。
S21:增益或插损,描述信号经过器件后被放大的倍数或者衰减量。S21=b1/a1. 对于无源网络即传输系数T或插损,对放大器即增益。
S12:反向隔离度,描述器件输出端的信号对输入端的影响,S12=a2/b2。
特点:
1、 对于互易网络有S12=S21
2、 对于对称网络有S11=S22
3、 对于无耗网络,有S11*S11+S21*S21=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
4、 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=S21。
假设Port1为信号输入端口,Port2为信号输出端口,则我们关心的S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S11<0.1,即-20dB,S21表示插入损耗,也就是有多少能量被传输到目的端(Port2)了,这个值越大越好,理想值是1,即0dB,越大传输的效率越高,一般建议S21>0.7,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S21>0.7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。
中高档矢网可以交替或同时显示经过全端口校正的四个参数,普及型矢网不具备这种能力,只有插头重新连接才能测得4个参数,而且没有作全端口校正。
反射系数、回波损耗、电压驻波比
回波损耗(Return Loss): 入射功率/反射功率, RL=-S11=-20lg(ρ),为dB数值
反射系数(Г): 反射电压/入射电压, 为标量Г=反射波振幅/入射波振幅=(传输线特性阻抗-负载阻抗)/(传输线特性阻抗+负载阻抗),即Г=|(ZL-Zo)/(ZL+Zo)︱的绝对值
电压驻波比(Voltage Standing Wave Ration): 波腹电压/波节电压,VSWR=电压最大值/电压最小值=Umax/Umin= (1+反射系数模值)/(1-反射系数模值)=(1+ρ)/(1-ρ)
行波系数:K=电压最小值/电压最大值=Umin/Umax=(入射波振幅-反射波振幅)/(反射波振幅+入射波振幅)
反射系数、回波损耗、驻波比对照表(RL单位是dB,实际值是负值)
基本网络基数:
1.2 传输线
传输射频信号的线缆泛称传输线。常用的有两种:双线与同轴线,频率更高则会用到微带线与波导,虽然结构不同,用途各异,但其基本特性都可由传输线公式所表征。
·特性阻抗Z0 它是一种由结构尺寸决定的电参数,对于同轴线:
式中εr为相对介电系数,D为同轴线外导体内径,d为内导体外径。
·反射系数、返回损失、驻波比 这三个参数采用了不同术语来描述匹配特性,人们希望传输线上只有入射电压, 没有反射电压, 这时线上各处电压一样高,只是相位不同,而实际上反射总是存在的, 这就需要定义一个参数。式中ZL为负载阻抗, Z0为同轴线的特性阻抗。
电力线宽带
由于反射系数永远≤1, 而且在甚高频以上频段手边容易得到的校准装置为衰减器,所以有人用返回损失(回损)R.L.来描述反射系数的幅度特性,并且将负号扔掉。
回损 R.L. = 20Log│ΓdB (1.4)
有反射时, 线上电压即有起伏, 驻波比(S.W.R)是使用开槽测量线最易得到的一个参数,比较直观。
当|Г|<< 1时,ρ= 1 + 2│Γ│ (1.6)
本仪器三种读数皆有, 可任意选用。
·阻抗圆图
如A,B两个规格的天线,若只在标网上选择,肯定选B而不要A,而在矢网上看,A比B有潜力得多,加个电容就比B好了。这种情况是大量存在的,在全波振子对测试中就是这种情况。因此,在调试中首先要将天线阻抗调集中(在圆图上成团)。举例来看,反射网与振子高度调节就有这种情况,折合振子单边加粗也有这种情况,然后再采取措施(如并电容,串电感,调短路片位置,改平衡器内导体等)使其匹配。而且经常不是使中频处于圆图中心,而是使整个频带处于中心某一小圆内,即牺牲一下中频性能,来换取总带宽。