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射频基础系列——传输线基本概念理解

已有 3466 次阅读| 2015-3-31 19:38 |个人分类:RF Circuit

天气: 阴雨

心情: 平静

一、基本概念

在高频/射频领域内，最重要的基本概念就是沿着传输线传输的入射波、反射波以及传输波。其实理解这些概念，可以类比光的传播（这些知识初中就学过），一束光在相同介质是沿着直线传播的，但光从空气入射到水中（介质发生改变），有一部分光发生反射、一部分发生折射；如果介质是由损耗极大的材料组成，则入射光全部被反射（如镜子）。

图1

同样，射频信号就好比光（其实光也是一种波），传输线就好比介质，它的特征阻抗表征了这种材料。当传输线无限长时，射频信号无反射，即入射信号=传输信号，但实际不存在无限长的传输线，传输线终端接的阻抗ZL就显得十分重要了（通常传输线的特征阻抗Z0为正实数：50或者70欧）：

1、ZL = Z0时（相当于两者介质相同），此时传输线可以看成无限长，无反射波，输入信号=传输信号，此时又称为传输线终端阻抗匹配。

2、ZL != Z0时（相当于不同介质，如空气和水），此时在传输线终端会发生反射，传输信号=入射信号-反射信号，这又称为阻抗失配。

二、在高频/射频下，为什么这些概念如此重要？

对比低频和高频信号：

1、低频情况（波长远大于线长）：电流更容易沿着导线传播从而获得有效的功率传输，测量电压和电流不依赖于线的位置，也就是说一根导线电流电压处处相等（初中学的）；

2、高频/射频情况（信号波长远小于传输线长度，一般是小于等于10倍传输线长）：这需要传输线来传输信号，此时，为了减小反射信号获得最大功率传输，匹配传输线特征阻抗显得十分重要。传输线上测量的电压取决于测量点沿线的位置（即传输线上电压不是处处相等）。

之所以这些概念特别重要，是因为我们可以用特定的负载与传输线特征阻抗匹配来替代无限长传输线，是最大的功率传输到负载，这是一件多么神奇的事情啊！！

三、传输线终端匹配的三种情况（假设其特征阻抗为正实数Z0=50欧，负载为ZL）：

1、ZL=Z0（匹配）：理想情况下，负载无反射信号，此时传输线相当于无限长，如果我们沿着传输线观察射频信号包络，它是常数（也就是没有驻波），是因为入射信号能量只沿着一个方向传播。

图2

2、ZL=0（短路）或者ZL=无穷大（开路）：短路情况下，由于负载不消耗任何功率，能量在负载不知道往哪里传输，所以全部反射到源，用欧姆定律解释，负载短路，负载两端电压为0，也就是说电压完全被反射回源，且和入射信号幅值相等，相位相差180度；同理，对于开路情况，欧姆定律告诉我们，负载两端电流为0，也就是说电流完全被反射到源，且反射电流信号大小相等、相位差180度。这样，对于两种情况，入射信号和反射信号大小相等、传播方向相反，在传输线上的包络将形成驻波，谷底为0，峰峰值是入射信号幅值的两倍。为了满足欧姆定律，峰和谷的位置都会沿传输线移动。

图3

3、ZL=25欧（一般情况）：同理，根据欧姆定律，有1/3入射信号的信号被反射，相位差180度这点可能比较难理解，负载电压为1/3Vs，为什么不是2/3的Vs被反射回来了？其实有多少信号被反射是看能量的，并不是只看负载电压。我是这样理解的，当终端阻抗匹配时，负载电压为1/2Vs，此时反射信号为0，而负载为25欧时，负载电压为1/3Vs，相对于匹配情况，它吸收了2/3的入射信号，有1/3的入射信号被反射到源。（不知道各位还有什么更好地直观理解，求告知~）。同样，包络也会形成驻波，且驻波没有0点。沿着传输线上不同点测量的阻抗也会发生变化，比如离负载1/4波长的传输线，就好比有100欧姆的负载（解释见书上，实现阻抗变换的方法之一）。