反射测量是网络测量的重要组成部分,以光波传输为例:当入射光遇到某种光学元件如透镜时,一部分光被反射离开透镜,但大部分光通过透镜继续传输,如果光学元件的表面是镜面,大部分光将被反射,只有很少的光或没有光继续传输。
1.入射光 2.反射光 3.传输光
图1 光的反射和传输
对于射频信号,当两个连接器件的阻抗不同时就会发生反射。反射测量就是测量反射信号和入射信号间的比值关系。网络分析仪用R接收机测量入射信号,用A接收机测量反射信号,因此反射测量经常表示为A与R的比值(A/R),我们可以用A和R接收机信号的幅度和相位信息完全量化表征被测件的反射特性。在S参数术语中,S11表示被测件端口1(输入端口)的反射,S22表示被测件端口2(输出端口)的反射。进行反射测量的目的是确保射频能量有效的传输,如果能量被反射,就意味着有很少的能量被传输到希望到达的地方;另外,如果反射的能量太大,可能会烧毁器件,如输出功率放大器。
一、反射测量的表达
在进行反射测量时,反射数据能用多种方式呈现。不同的表达方式都是根据同样的反射测量数据计算出来的,每一种表达方法能用一种或多种图形格式显示出来。
1.1回波损耗
表示反射数据最容易的方式是回波损耗,回波损耗是一个标量,单位为 dB。回波损耗是反射信号和入射信号之间的dB差值,当阻抗完全匹配时,回波损耗为无穷大;对于开路、短路或无损的电抗电路,回波损耗为0dB。例如,在网络分析仪上使用对数格式进行测量时,显示的反射测量数据为-18dB;表示回波损耗时,可以忽略负号,说器件有18dB的回波损耗。
1.2驻波比
两组波在同一根传输线上沿相反的方向传输时就会引起驻波,这种情况可以用电压驻波比,(VSWR 或简写为 SWR)表示。SWR 定义为在给定频率上最大射频包络电压与最小射频包络电压的比值,是一个标量,当阻抗完全匹配时,SWR 等于1;对于开路、短路或无损的电抗电路为无穷大。
1.3反射系数
另一种表示反射测量的方法是反射系数(Γ),Γ包括幅度和相位信息,Γ的幅度部分称为ρ,反射系数是反射电压与入射电压的比值,ρ的取值范围为0~1。当传输线用特性阻抗进行端接时,所有的能量都传递给负载,没有能量被反射,ρ=0。当传输线用开路器或短路器进行端接时,所有的能量都被反射,ρ=1,ρ没有单位。
1.4阻抗
阻抗是表示反射数据的另外一种方式。如图2所示的史密斯圆图是将被测件的反射测量数据映射成阻抗的工具,图上的每个点都代表由一个实电阻(R)和虚电抗(±jX)组成的复阻抗,通过光标可以读取被测件的电阻值、电抗值及电抗等效的电容值和电感值。
图2史密斯圆图格式
a.史密斯圆图的中心水平轴线代表纯电阻,水平轴的中心点代表系统阻抗;水平轴的最左边电阻为零,代表短路;水平轴的最右边电阻无穷大,代表开路。
b.史密斯圆图上与水平轴相交圆上的点有相等的电阻值。
c.史密斯圆图上与水平轴相切弧线上的点有相等的电抗值。
d.史密斯圆图上半部分的电抗为正,因此为感性区。
e.史密斯圆图下半部分的电抗为负,因此为容性区。
二、VNA实测结果演示
如下图,普尚SP826P(900Hz ~ 26.5 GHz)矢量网络分析仪测量13~15GHz的带通滤波器主要参数。图中分别呈现了S参数幅度和相位,群延时,Smith圆图,以及驻波的测量结果。尤其是通过传输损耗S21和S12看出来,这个滤波器远端的抑制度可以做到80dBc左右,带宽也达到了近2GHz。
图3 普尚SP826P(900Hz ~ 26.5 GHz)矢量网络分析仪测量带通滤波器结果