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毫米波雷达

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特点标志阻抗、VSWR和反射系数的那点事!
2021-01-25
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在学习射频微波的基本原理过程中,或许没有比了解特别的性质阻抗的概念更为关紧了。当我们在论说50欧姆或75欧姆电缆时,实际上我们是在说电缆的特点标志阻抗为50欧姆,75欧姆等等。或许您还想的起来,在关于特别的性质阻抗常见的绍介里,老是成片的算术公式和各种参变量,以及几句微乎其微的书契绍介,真的令人懊丧。于是本文,我们尝尝试使用一种更为直观的形式来做一下子解释。

首先我们要明确,在今日的RF/微波系统中运用50欧姆还是75欧姆是人为的挑选。实际上譬如说像43欧姆还是其它数字的阻抗也是可以的,但思索问题到实际同轴电缆的物理尺寸,这个范围被限止在20至200欧姆以内。对于传道输送线而言,尽有可能低的伤耗和高的功率容积天然是我们期望的,从下图我们可以看出,思索问题到便捷计算,伤耗和功率容积等等因素在这以后,50欧姆的确是最完美的折衷了(针对空气媒介)。至于75欧姆,则常见于不必大功率传道输送的事情状况,例如有线电眼看东西假想线缆。

图1

图1

图1

但有一点儿要提示的是特别的性质阻抗的概念实际上很广,涵盖全部的同轴线,印制线路板传道输送线、微带、带状线、双引线和双绞线。假如您自个儿预设PCB线路板的传道输送线的话,您可以挑选自个儿需求的值,而不需要必须是50还是75欧姆。甚至于自由空间本身也具备阻抗特别的性质,在自由空间和其它无界媒介的事情状况下,该阻抗我们称为本来就有阻抗。

运用50欧姆同轴电缆的一个实验

假如有人拿着一根1000英尺长的电缆对你讲“这是50欧姆阻抗的电缆,好好用吧”,而后你表决拿着电阻表来证验一下子是否实在这么。你将电阻表的两根引线作别连到电缆的内导体和外导体,而线缆的尾端维持着开路,你会惊奇地看见它读到靠近无限阻抗!而后你再把尾端处的里外导体短接,而后从这一头的张嘴端再测,如今读数成为靠近零欧姆了,怎么会这么!而后你抓紧时机安抚自个儿‘不要慌,实际上它实在应当是50欧姆的……’

您的仪表没有奉告您电缆为50欧姆的端由是它没有办法读取瞬时电压/电流比(V = IR)。实际上平常的的电阻表具备十分高的内部电阻,电阻表中的不论什么电容将与内阻接合会形成很大的时间常数。这种大的时间常数要得这品类型的摄谱仪没可能迅速响应,以便在连署电阻表导线的那一刻“看见”在同轴线上引入的高速电子脉冲。

所以我们不可以运用常理的电阻表测试办法来施行测试,于是我们将认为合适而使用图2的电路方案。该电路准许我们经过切换开关来萌生电流电子脉冲。星号表达期望仔细查看和勘测现时的位置。

图2

图2

我们将如果开关已经处于放电位置多时,保证同轴电缆上不存在电压。如今,假如我们将开关转到CHARGE(充电),会发生啥子?此时开关将干电池(+)连署到同轴电缆的核心内导体,它着手对该同轴电缆施行充电,大致相似于对容电器充电。而后,我们可以经过将核心导体短路到屏蔽线、关闭干电池或切换开关到放电位置来放电。

这么,经过操作图2的简单开关,我们可以在同轴电缆上引入电流“电子脉冲”。假如您在开关第一次连署到CHARGE(充电)时勘测核心导线中的电流,您将看见将达到最大值Imax = Vbat / Zo的电流电子脉冲,那里面Zo是同轴电缆的特别的性质阻抗,Vbat是干电池电压。有时候,特别的性质阻抗也称为同轴电缆的浪涌阻抗。

那到底是同轴电缆的啥子特别的性质对浪涌电流形成如上所述式的约束关系,换言之为何同轴电缆不可以‘迅即’充电?为了应答这个问题,我们来相比较一下子一个理想容电器的充电形式和依照图1连署开关电路的同轴电缆。

理论上,假如把一个理想电容和一个一样理想的电源衔接,在那一刻的瞬时电流将会无限大,容电器将迅即完成充电。当然这处的如果是理想容电器在电流途径中具备零电阻和零电感,况且物理长度被视为零,这么电流电子脉冲不会在空间中广泛散布。而我们实际的同轴线缆有单位长度的电阻斤两和电感斤两,并具备物理长度,这些个因素都造成浪涌电小产生迟滞。

无限长度同轴电缆的等效电路

 从上面所说的商议中,我们可以构建一个理想的电路,如图3。理想事情状况下,这处我们觉得同轴电缆是无缺的,电阻和电容也是理想的,没有寄生的电感,电容和电阻斤两。黑盒1中里面含有无限长度的同轴电缆,另一个黑盒中是一小段同轴电缆,电缆尾部的内里导体和外部屏蔽层之间连署有串连RC网络。串连电阻R等于同轴电缆特别的性质阻抗Z欧姆,串连电容无穷大。在我们运用电阻表,电压表,示波器,时域反射计,网络剖析仪等等摄谱仪在这以后,可以看出勘测最后结果没有差别,我们得出论断,两个黑箱含相同的物理电路或电缆长度。

图2

图3

勘测同轴电缆阻抗的其它办法

浪涌电流法并不是勘测同轴电缆特别的性质阻抗的一般办法,但它的确施得通,并具备直观的吸万有引力。另一种办法则是勘测其每单位长度的电感和电容; L除以C在这以后的的二次方根将以欧姆(不是法拉或亨利)为单位。

为何不一样的电缆具备不一样的特别的性质阻抗呢?就是由于每单位长度具备不一样的电容和电感。 对于同轴电缆,这将由内/外导体比和同轴电缆导体之间材料的介电常数表决,对于微带线,主要是由PCB线路板的传道输送线宽度,介电常数和PCB线路板的厚度表决。

VSWR,奉告我们离理想阻抗到底还有多远

或许如今您理解了“50欧姆”电缆的意义,甚至于您如今期望在全部的布线,连署和设施中都极力追求“完美的50欧姆”了,可是其实没有同轴电缆,连署器,放大器等等都正巧是50欧姆。所以我们需求一种参变量能奉告我们到底离50欧姆有多远。最常见的形式是VSWR(电压驻波比),一个听起来有些复杂的姓名。我们期望经过掌握VSWR的概念能更加合理的了解我们的阻抗和理想值的靠近程度,它的概念适合使用于不论什么特别的性质阻抗,50欧姆或其它。

同轴电缆和50MHz正弦波发生器

让我们来看一个VSWR的例子,我们取一段20英尺长的50欧姆同轴线缆,将其一端依照图4所示连署起来,和图2相形,开关和干电池已被50欧姆电阻和萌生正弦波的信号源接替。我们这处假定信号源是理想的,内部电阻为“50欧姆”,也就是没有寄生电感或电容元件斤两。同轴线另一端维持开路,正弦波源频率设置为50 MHz。固然这处不论什么频率都可以,不过50 MHz是测试大部分数同轴电缆的不赖频点。

当我们接通信号源,正弦波着手向电缆的开路端“广泛散布”,就像我们之前的电子脉冲同样。当正弦波到了电缆的末端时,它被绝对“反射”归来,并朝着信号发生器传道输送,一朝回到发生器在这以后,便会在50欧姆的内部电阻效用下成为卡路里,这或许听起来有些荒唐,但却是事情的真实情况。

举个例子,当海浪撞到铅直的海墙时,会发生大致相似的现象。当波浪进来,撞到墙上,显露出来一个新的浪潮,回返沧海。若是冲上一个美好的逐渐变化海滩,海浪渐渐消逝,很少或甚至于没有反射的海浪斑纹。你可谓,一个逐渐变化的海滩和沧海同样,具备典型海浪波的特点标志阻抗。

图4

图4

如今我们重复一样的实验,只是末端的开路换成短路,这次我们再一次看见正弦波被全部折回归来并被发生器50欧姆的内部电阻所耗费,和之前开路的事情状况不一样的是,这次的信号有180度的反转。

所以当同轴线开路还是短路,我们的正弦波都会被全部折回归来,我们定义这种事情状况下VSWR为无限大:1。如今我们在同轴线末端连署一个理想的50欧姆电阻,相当于同轴线以其自身的特别的性质阻抗终了,我们所给予的正弦波也会因为这个在这个末端被消散,也就是零反射。就像是我们哄弄了这个正弦波,它以为在它前面的依旧是没有穷尽长的线缆……到此,实际上我们再一次证验了图3中第二个黑箱中的等效电路。而这种终端完美般配、无反射的事情状况,我们定义为最低的VSWR,写文章1:1.

反射系数,回波伤耗和般配亏损

另一个紧急有关的参变量是反射系数。这个参变量是一个向量,不止记录了反射波的体积,还记录了相对于波源的相位变动。而VSWR是一个标量,仅勘测幅度。我们是可以经过反射系数计算出VSWR的(见下文)。表1还可显露反射损不和睦不般配亏损。回波伤耗(RL)用来表达有若干功率从负载或终端反射归来了,如果是端接或负载越靠近“理想”的同轴线特别的性质阻抗,反射功率则越低。我们以入射功率为参照基准,所以RL可以用dB的关系来表达,由于是反射,一般为负值。假如RL已知,我们就可以计算出VSWR。假如RL 低于-15dB,我们就觉得这是足以接受的。

不般配伤耗(ML)表达当信号(正弦波)越过特别的性质阻抗碰到表面化变动时,功率亏损若干。毕竟对于一个系统而言,没可能全部的接头还有接触都是完美的。回到事实世界,我们已经晓得,没有完美的末端般配,也没有完美的50欧姆电阻。我们来看看当我们在50欧姆的同轴电缆连署真实世界的终端般配时,会发生啥子,一点点微小的偏差仍然更多?

将75欧姆终端阻抗连署到50Ω电缆

首先75欧姆还是相当靠近50欧姆的,假如你运用下表中的公式来计算的话,VSWR=1.5:1,有一点波被反射归来了,但还不算非常多。事情的真实情况上1.5:1的VSWR总算一个十分不赖的指标了,假如您计算反射功率,整整比输入功率小了14dB!很多商用独立RF放大器(MMIC)也是牵强凑合达这个指标到还是更差,而这些个产品都被厂商声称是50欧姆系统器件!所以我们期望您能对50欧姆的具体应用更加优容一点,下边这个实际的例子讲评的就是我们在不绝对依照特别的性质阻抗完美般配原则下做的事物。

举出例子,卫星电视IF信号电缆传道输送

一个卫星电视系统合般在低噪放大器(LNA) /低噪板块下变频器(LNB)在这以后运用75欧姆同轴电缆。不过在安装过程中我们需求在LNB和IF解码单元之间加一段50英尺的同轴。这处我们期望认为合适而使用小规模轻便的50欧姆同轴线方案而不是笨重的75欧姆方案,下表1就总结概括了本例还有之前商议的最后结果。

我们可以看出不般配伤耗ML只有0.2dB,要晓得IF解码器收缴的是在之前被下变频后低得多信号频率,况且在LNB板块中还有很多预置的增益放大器。这个增益放大器有两个功能,一是设置LNB系统的噪声系数,二是起到对向下传道输送方向反射的隔离。

所以总的来说,纵然因为失配伤耗而造成某些功率亏损,我们也有足够的有经验利用收缴器链中的高增益放大器补救归来。对于反射信号,LNB的高隔离度可以尽力照顾系统免受不顺利影响。放心!

卫星电视IF信号电缆传道输送

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