原创 理解微波射频中的特性阻抗、VSWR 和反射系数

2022-9-26 17:51 669 5 5 分类: 通信 文集: 无线通信

特性阻抗 Characteristic impedance

对于理解射频和微波原理来说,没有什么比理解特性阻抗的概念更基本。当我们谈论50欧姆电缆或75欧姆电缆时,我们实际上是在说它的特性阻抗是50欧姆、75欧姆等。特性阻抗的解释通常是令人费解的一行说明,然后加上大量的公式和数学论证,这对于初学者或者业外人士是难以理解的,而本文会尽可能的用更直观的语言来解释它。


首先很重要的一点,我们要明白,今天射频/微波系统中通常使用的50或75欧姆系统是一个 "人为 "的任意选择,它其实也可以很容易地成为43欧姆或其他数字。物理尺寸确实决定了实用同轴电缆的范围在20到200欧姆之间,而基于物理尺寸问题和对简单运算需求的同时影响,最终使我们今天看到的特性阻抗值为50和75欧姆(通常)。

同样重要的是要记住,特性阻抗的概念非常广泛,包括所有类型的同轴线、印刷电路线、微带线、带状线、双引线和双绞线。事实上,如果你设计PCB传输线,你可以选择你想要的特性阻抗,而不仅仅是50或75欧姆。

值得注意的是,即使是自由空间本身也有特性阻抗。在自由空间和其他无界介质的情况下,这种阻抗称为本征阻抗( intrinsic impedance)


使用50欧姆同轴电缆的实验

假设有人递给你一卷1000英尺长的同轴电缆,并告知你这是50欧姆的同轴电缆。你决定用你的欧姆表来检查这个 "50欧姆 "的说法。你把欧姆表的一根引线连接到电缆一端的中心导体,另一根连接到外导体,电缆的另一端是开放的。你会惊讶地看到它的读数接近无限阻抗为什么它的读数不是50欧姆?

你想知道为什么没有读到50欧姆,你再将内导体与远端的外导体短接,再用电表测量电缆的开口端。现在读数接近零欧姆。为什么会这样?

你的仪器没有告诉你电缆是50欧姆的原因是它不能读取瞬时电压/电流比(V=IR)。普通欧姆表的内阻很高,欧姆表的任何电容都会与内阻相结合,形成一个非常大的时间常数。这种大的时间常数使得这种类型的仪器不可能做出足够快的反应,以 "看到 "你在连接欧姆表引线的瞬间在同轴线上引入的高速脉冲。

因此不能使用典型的欧姆表来测量特性阻抗。我们不尝试使用欧姆表,而是使用图1的电路,该电路允许我们通过拨动开关产生一个电流脉冲。*(星号)表示希望观察和测量电流的地方。

我们要令开关在DISCHARGE位置上很长一段时间,以确保同轴电缆上没有电压。现在,如果我们将开关拨到CHARGE位置,会发生什么呢?当开关将电池(+)连接到同轴电缆的中心导体时,它就开始给这段同轴电缆 "充电",有点像给电容器充电。然后,我们可以通过将中心导体与屏蔽层或电池负极短路或将开关置于DISCHARGE位置来对电缆进行放电。

因此,通过操作图1中的简单开关,我们可以在同轴电缆上引入一个 "脉冲 "电流。如果你在开关第一次连接到CHARGE的瞬间测量中心导体的电流,你会看到一个脉冲电流将达到最大值Imax=Vbat / Zo,其中Zo是同轴电缆的特性阻抗,因此有时特性阻抗被称为同轴电缆的浪涌阻抗


理想的电容器与理想的同轴电缆充电比较

究竟是什么特性将同轴电缆的冲击电流达限制在上面给出的表达式上?或者换一种说法,为什么同轴电缆不能 "立即 "充电?为了回答这个问题,让我们来研究一下,如果将一个理想的电容器连接到图1的开关电路中时它与同轴电缆的充电方式有什么不同?

从上面的讨论中,我们可以形成一个理想的电路,它与理想的无限长的同轴电缆是分不开的,见图2。

在图二中,我们有两个盒子,1和2。我们无法看到盒子里面的东西,我们能看到和连接仪器的只有1英尺的阻抗为Z欧姆的裸露的同轴电缆。我们的任务是确定盒子里装的是仅仅是一段无限长的同轴电缆,还是一定量的电缆与无限电容与Z欧姆阻抗构成的电路。

在使用欧姆表、电压表、时域反射计、网络分析仪和其他任何我们能拿来测试的东西之后,我们可以看到测量结果没有任何差异,即二者等效

箱子1中装有无限长的同轴电缆,另一个箱子是一小段同轴电缆,电缆内导体和电缆末端的外屏蔽层之间连接着串联RC网络。串联R等于同轴电缆特性阻抗Z欧姆,串联电容为无限电容。这个无限电容的目的是阻断直流电(但通过所有的交流电),以确保简单的(理想的)欧姆表检查将读出无限的电阻,就像方框1中的无限长同轴电缆一样。

在这个假设的例子中,我们必须使用理想的元件和无限长的电缆,我们的陈述才能严格地成为真的。但这并不意味着这个实验不能用现实生活中的东西重现。事实上,在箱体2中使用非常精确的元件,在箱体1中使用非常长的高质量同轴电缆(>100英里),即使使用最好的仪器也很难测量出这两个箱体之间的差异,至少在某些频率段上是如此。


测量同轴电缆阻抗的其他方法

电流浪涌法不是通常测量同轴电缆特性阻抗的方法,但它是一种可行的方法,具有直观的吸引力。另一种测量同轴电缆特性阻抗的方法是测量其单位长度的电感和电容,L除以C的商的平方根等于特性阻抗,单位是欧姆(不是法拉或亨利)。

为什么不同的电缆有不同的特性阻抗?每根同轴电缆或其他传输介质都有其独特的单位长度的电容和电感。对于同轴电缆来说,这将由同轴电缆的内/外导体比和导体间材料的介电常数决定。而微带线主要是由迹线宽度、pc板的介电常数和pc板的厚度来决定。


总结

特性阻抗作为射频微波中最为基础的知识,本文简单明了的介绍了为什么目前统一使用50/75欧姆特性阻抗,并利用实验案例测试特性阻抗。我们将之后的文章中对与特性阻抗密切相关的VSWR,反射系数等概念做进一步介绍与实验验证,欢迎持续关注。


作者: 虹科卫星与无线电通信, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-3989649.html

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