射频基础知识---VSWR、Return Loss和Mismatch Loss概念回顾

weixin_49761275

1316人浏览 · 2025-06-26 10:13:50

weixin_49761275 · 2025-06-26 10:13:50 发布

点击阅读原文，获取更多优质内容，请关注公众号--通信射频老兵：射频基础知识---VSWR、Return Loss和Mismatch Loss概念回顾

一、前言

当电波遇到其传播介质的阻抗发生变化时就会发生反射。当我们试图将功率从信号链中的一个模块传输到下一个模块时，这些反射是非常不利的。

本文中，我们将了解两个参数，即电压驻波比（VSWR）和回波损耗（RL），它们可用于描述射频设计中的波反射特性。我们还将讨论“失配损耗”指标，它将波反射对功率传输的影响进行了参数化。

二、电压驻波比（VSWR）公式的计算

在短路或开路的传输线上，会发生全反射，入射波和反射波的干涉会在传输线上产生驻波。例如，考虑图1所示的示意图。

图1. 示例图

图2展示了在正弦输入下，稳态响应同样为正弦的情况。传输线长度d=0.2m，负载短路ZL=0时，沿传输线在36个不同时刻的电压波。

图2. 36个不同时刻的电压波

上述曲线让你了解到电压波的幅值是如何沿传输线变化的。这种幅值变化通过下面图3中给出的上述各图的包络线能得到最佳呈现。

图3. 幅值变化图

请注意，包络线的最小值为0V。我们可以对任意负载重复同样的步骤，比如说一个反射系数Γ=0.5的负载。这种情况下在36个不同时刻的电压波图如图4所示。

图4. 展示了36个时刻的电压波情况。

这些曲线的包络线如图5所示。

图5. 电压波包络线随位置变化的图

上述讨论表明，当发生全反射时，包络线的最小值为0V，即Vmin=0（图3）。然而，在部分反射的情况下，Vmin会更接近峰值Vmax。在没有反射的理想情况下，Vmax实际上会等于Vmin。因此，Vmax与Vmin的比值，也就是所谓的VSWR，与在阻抗不连续处发生的反射量有关。用数学语言来表述，VSWR的定义如下：

公式1：

当存在全反射时，VSWR为无穷大；对于匹配负载，VSWR为1；而在其他情况下，VSWR介于这两个极端值之间。例如，对于图5中的包络波形，VSWR为：

可以很容易地证明，VSWR与Γ之间存在如下关系：

公式2：

这个公式使我们能够测量VSWR，并利用这些信息来确定反射系数的大小。

顺带一提，VSWR这一参数的重要性或许已不如往昔。如今高性能的定向耦合器能够从物理层面上分离入射波和反射波，使我们能够精确测量反射系数。

在传输线测量的早期阶段，还没有这些高性能的定向耦合器，而上述公式（公式2）则是测量Γ大小的简便方法。为此，工程师们只需通过一种名为开槽线的设备测量传输线上的最小和最大电压即可。鉴于如今高性能测量设备的普及，VSWR有时被视为几十年前遗留下来的参数。然而，射频工程师仍需全面理解VSWR的概念，因为它在数据手册中仍然经常被提及。

图6. 展示射频组件和传输线的示意图。

在这里，我们关注的是表征有多少入射功率从射频组件反射回来Pr。虽然反射系数Γ是反射电压与入射电压之比，但|Γ|^2表示反射功率与入射功率之比：

公式3：

将上述等式用dB来表示可得到：

公式4：

举个例子，|Γ|^2=0.1，我们能得到：

这意味着反射功率比入射功率低10dB。在这种情况下，我们可以说返回的那部分入射信号获得了-10dB的增益，或者等效地说，经历了+10dB的损耗。换句话说，在这个例子中“回波损耗”是10dB。

另外，回波损耗参数通常用于表示公式3和公式4。不过，这个参数的名称乍一听可能有点令人困惑。回波损耗指的是入射信号在从阻抗不连续处返回或反射时所经历的损耗。

请注意，对于无源电路，反射系数Γ的取值范围在0到1之间，因此，返回的信号会经历衰减或损耗，而不是增益。回波损耗，通常用RL表示，由以下公式给出：

公式5：

例如，如果一个系统中的回波损耗被规定为40dB，你马上就能知道反射功率比入射功率低40dB。因此，回波损耗越大，意味着负载与传输线特性阻抗之间的匹配越好。

反射系数Γ、电压驻波比（VSWR）和回波损耗这三个参数，都是描述负载与传输线匹配程度的不同方式。然而，与既有幅值信息又有相位信息的反射系数Γ不同，电压驻波比（VSWR）和回波损耗只提供幅值信息，不包含相位信息。

三、失配损耗（Mismatch Loss）

让我们再一次研究图6中的配置情况。除了反射功率之外，我们还关注表征阻抗失配对传输到输出端的功率Po的影响。首先，假设射频组件的功率增益为1（G=1）。换句话说，输送到射频组件输入端的功率与出现在其输出端的功率相同。由于阻抗失配会导致一些功率被反射，这就减少了传递到射频组件的功率。在G=1的情况下，输出功率Po等于入射功率与反射功率之差：

将上述等式用dB来表示可得到：

公式6：

继续使用|Γ|^2这个示例值，上述公式会得出：

这意味着输出功率比入射功率低0.46dB。换句话说，信号的增益为-0.46dB，或者等效地说，存在+0.46dB的损耗。这种功率损耗被称为 “失配损耗”，因为它仅仅源于阻抗失配。失配损耗参数告诉我们，通过实现完美的阻抗匹配，我们能够使增益提高多少。在上述例子中，可实现的增益提升量为0.46dB。基于以上讨论，用ML表示的失配损耗由以下公式给出：

公式7：

从上述解释中应该可以清楚地看出，我们期望失配损耗较小，因为这意味着负载和线路之间的匹配程度更好。

四、两端端口均失配时的失配损耗（Mismatch Loss）

在图6中，我们默认信号源（未画出）的阻抗与线路的特性阻抗是匹配的。如果并非如此，反射功率Pr会在信号源一端的不连续处再次反射，并对入射波Pi产生影响。例如，当我们通过传输线将信号源连接到负载时（图7（a）），以及在两个级联设备之间的接口处（图7（b）），都会遇到这种情况。

图7. 通过传输线将信号源连接到负载的示例图（a）以及两个级联设备之间的接口示例图（b）。

在这种情况下，失配损耗（以线性量而非dB表示）由公式8给出。

公式8：

上述公式规定了由于波的反射而在输入端口和输出端口之间来回反射的那部分输入功率。例如，假设在图7（a）中，Γ1和Γ2分别为0.1和0.2。在这种情况下，失配损耗ML=1.011。以dB表示，由于这两个阻抗不连续点，我们会有0.05dB的损耗。

请注意，Γ包含幅度和相位信息，并且相位角会影响公式8计算出的ML值。让我们重复上述例子，但令Γ1=0.1且Γ2=-0.2。在这种情况下，计算得出ML为1.095，即0.39dB的损耗。

五、失配（Mismatch）不确定性

上述例子凸显了射频应用中的一个不确定性。由于公式8中的失配损耗取决于反射系数的相位角，并且要注意在许多实际情况中，只有反射系数的幅度是已知的，所以对于实际从输入传输到输出的功率大小存在一定的不确定性。例如，已知|Γ1|=0.1且|Γ2|=0.2时，失配损耗在0.05dB到0.39dB之间。

总结：

本文主要探讨了射频设计中描述波反射特性的关键参数。电压驻波比（VSWR）、回波损耗（RL）和反射系数Γ从不同角度反映负载与传输线配程度，虽VSWR如今重要性有所下降，但仍需理解。失配损耗量化了阻抗失配对功率传输的影响，而两端端口均失配时，其受反射系数相位角影响，导致实际功率传输存在不确定性，这些参数对优化射频设计、提升功率传输效率具有重要意义。

往期高分文章回顾，总有一篇能帮助到你：

射频相关知识：

射频基础知识---你真的清楚巴伦（Balun）是什么吗？

射频基础知识---巴伦、变压器、魔T和电桥傻傻分不清？

射频基础知识---调制信号的功率测量

RF射频PCB设计基础知识(一)

射频基础知识---VSWR、Return Loss和Mismatch Loss概念回顾

收发信机相关知识：

Transceiver收发芯片相关知识分享(一)

Transceiver收发芯片相关知识分享(二)

收发信机基础知识介绍---发射和接收机的类型

收发信机基础知识---时钟噪声对接收机的影响