作为一名射频工程师，处理反射是最令人头疼的问题之一。无论是负载不匹配还是连接器故障，这些反射都会妨碍系统的正常运行。反射会干扰信号，还会在频谱分析仪上显示错误读数，导致结果错误，并浪费大量时间进行故障排除。几乎每个工程师在其职业生涯中都曾遇到过这个问题，处理起来非常头疼。
本文将清晰地解释回波损耗的意思，如何理解 S11与回波损耗之间的关系以及如何最大限度地降低回波损耗对测量的影响。我们还将探讨如何在测量回波损耗时确保频谱分析仪读数准确，避免因读数错误而进行耗时的故障排除。
什么是S参数？
S-parameters S参数通过指定反射信号的幅度和相位，描述射频信号如何响应设备端口的值。该名称来源于“散射 Scattering parameter”的S。
S参数表征了DUT的线性响应特性。低频网络的表征通常是建立在测Z，Y参数基础上，测量器件的输入或者输出端口上或者网络节点上的总电压或者总电流。由于很难测量高频总电流或者总电压，所以用S参数来表征高频网络。
S参数可以以表格或图形的形式表示，并且是有价值的测量，因为它们可以洞察设备的整体性能和健康状况。
完整的参数应包含传输和反射特性，指标中应包含幅度和相位信息。
这些参数描述可采用S参数(散射参数)来表征被测物的线性响应特性。
双端口器件的S参数包含四个参数(N端口器件S参数包含N^2个参数)。S参数的定义是基于信号电压比值的参数。S参数为矢量。
Sab: 表示被测件端口b 输入到端口a的传输系数
S参数下标为器件的端口，具体定义为：第一个数字代表信号输出端口，第二个数字代表信号输入端。（网分测试中，被测件与仪表端口1（Port1)连接的端口定义为器件的1端口，与仪表端口2连接的器件端口定义为2端口。）
Sab：表示被测件端口b到端口a的传输系数。
例：被测件输入端为：1端口，输出端：2端口。
S11就是当被测件输出端接匹配负载，此时的输入端也就是1端口的反射系数。
S21：当被测件输出端接匹配负载时，器件 端口1Þ端口2传输系数。同理还有S22，S21。
注意，输出信号相比于输入信号相位的变化。S参数是一个复数矩阵，反映了在频域范围内的反射信号 / 传输信号的特性（幅度/相位）。
S参数指元器件反射信号和传输信号的特性，因此S参数包含
反射参数，S11，S22等；传输参数, S12，S21等。
S11, S12, S21, S22参数
S参数一直占据着微波理论和技术中最重要的位置，它们包括了早已为工程师所熟悉的测量项目，例如 S11（输入匹配）、S22（输出匹配）、S21(增益/ 损耗）、S12(隔离度）等，这些测量项目的测试结果可以很方便地导入到电子仿真工具。
回波损耗是什么意思?
回波损耗(Return Loss)是指由于传输系统中的阻抗不匹配而反射回源头的功率大小。通常，它是入射功率与反射功率之比，以分贝 (dB) 为单位。
回波损耗
回波损耗是以对数形式(dB) 表示反射系数的一种方法。回波损耗是反射信号低于入射信号的dB 数。回波损耗总是为正数，介于无限大（使用特性阻抗负载端接）和 0 dB（开路或短路端接）之间。
在通信领域，回波损耗值是一个重要的指标，用于评估线路和设备的性能。回波损耗值过高可能导致信号衰减、干扰等问题，从而影响通信质量。因此，在设计和运行通信系统时，需要注意回波损耗值的控制和测试。
回波损耗计算公式
您可以使用以下公式以分贝 (dB) 为单位表示回波损耗。
回波损耗 (dB) = -20 * log10(|S11|)
其中 |S11| 是反射系数的大小。反射系数衡量的是传输系统中给定点处反射波与入射波的比率。
高回波损耗表示阻抗匹配良好，反射回源头的入射信号功率很少。低回波损耗表示阻抗不匹配，导致大量入射信号功率反射回源头。
在传输系统中，传输线阻抗必须与负载阻抗匹配，以最大限度地减少反射。如果不匹配，阻抗就会不匹配，一部分入射波会反射回源头。
反射系数量化了这种反射波：
Γ = (ZL – Z0) / (ZL + Z0)
其中，
ZL 是负载阻抗，
Z0 是传输线的特性阻抗。
反射系数 |Γ| 的大小是反射波与入射波的比率，是反射强度的度量。
通过获取反射系数的大小，并使用公式将其转换为 dB，即可计算回波损耗。
为什么会产生回波损耗？
您可能会遇到几种典型的回波损耗可能原因。
信号反射。当信号通过传输线传输时，如果遇到传输线特性的变化（例如阻抗变化），信号就会反射回源头。如果传输线的端接阻抗与其特性阻抗不同，或者存在故障或不连续，就会发生这种情况。
不连续性。传输线中的不连续性是指线路特性突然发生变化的任何位置。这可能包括线路中的连接器、接头或弯头。不连续性会引起反射，并导致回波损耗较低。
阻抗不匹配。当传输线阻抗与负载阻抗不匹配时，就会发生阻抗不匹配。这会引起反射，并导致回波损耗较低。
回波损耗是传输系统中需要测量的一个重要参数，因为它会影响系统的性能。例如，损耗高表示传输线路运行高效。相反，损耗低则表示传输线路未充分发挥其潜力。
S11 和回波损耗一样吗？
在射频工程中，一些误解常常会混淆关键参数的理解。其中一个容易混淆的方面是回波损耗 (dB) 和 S11 (dB) 的符号约定。让我们来解开这些复杂的概念，并阐明其背后的原理。
回波损耗中的“损耗”一词最初可能会引起混淆，但必须认识到，以无源器件为例，回波损耗应该为正值。这种正值是该术语本身固有的，因为它暗示了损耗。与插入损耗类似，无需添加负号，因为该术语本身就表示信号强度的降低。
另一方面，由于 S参数测量的性质，S11 (dB) 通常为负值。对于无源器件，S11 中捕获的反射波与入射波的比率不应超过 1。当该比率以分贝表示时，结果始终为负值。 S11 的最高值为 0 dB，对应反射系数为 1。理解 S11 的负值源自电压测量至关重要。
为了消除任何混淆，务必注意，回波损耗和 S11 提供的信息相同，尽管有时表示方式不同。虽然 S11 可能用正值表示，而回波损耗用负值表示，但一致的惯例应该是回波损耗为正值，S11 为负值。这种清晰的规范确保了对这些参数的标准化解读。此外，S11、回波损耗和 VSWR 之间转换的灵活性，使工程师能够自由选择符合自身偏好的表示方式。这种灵活性有助于射频工程界的无缝沟通和理解。理解并遵守这些参数的正确符号约定，对于在现场进行准确的测量和有效的沟通至关重要。
阻抗 (Z)
下图显示了无线电传输中涉及的三个组成部分：发射无线电信号的源、传输线和作为负载的天线。图中显示了匹配和不匹配的情况。
此分类基于无线电 (50Ω) 和天线 (75Ω) 附近数字之间的差异。这些数字代表相关设备的阻抗 (Z)，其性质复杂，由电阻 (R) 和感抗 (L) 或/和容抗 (C) 组成。
请记住，阻抗值取决于工作频率。
回波损耗与驻波比关系
VSWR驻波比是什么意思？
电压驻波比 ((Voltage Standing Wave Ratio) VSWR) 是传输线上驻波模式的最大电压与最小电压之比。驻波模式是由传输线上的入射波和反射波相互作用产生的。VSWR 的数值范围为1（无反射）到无限大（全反射）。
VSWR 用于评估传输线和天线的性能。VSWR 以比率表示，值为 1 表示传输线和负载完全匹配。值大于 1 表示阻抗不匹配，这会导致反射和较低的回波损耗。
了解驻波比 (VSWR) 的基础知识
在信号传输和电气工程领域，VSWR（即电压驻波比）至关重要。这一关键指标可以量化衡量系统传输功率的效率，实际上已成为任何射频和电信设备的核心。
那么，VSWR 究竟是什么呢？VSWR 的核心是一个比率。它衡量的是传输线（例如同轴电缆）沿线驻波模式中最大电压与最小电压之比。如果将其形象化，您会看到传输线上的波形具有波峰（最大电压）和波谷（最小电压）。VSWR 就是这些峰值和波谷值的比率。
简而言之，VSWR 反映了负载（例如天线）的阻抗与传输线本身阻抗的匹配程度。较低的 VSWR 表示匹配程度更高，这意味着信号反射更少，传输到负载的功率更大——而这正是我们实现高效信号传输所期望的。
VSWR 是衡量传输线中驻波强度的指标。驻波是不可取的，因为它会降低信号完整性
关键要点 - VSWR 是电气系统中功率传输效率的关键。掌握 VSWR 的概念就像握着一个指南针，指引你走向最佳且成功的射频设计。
反射系数与阻抗失配
让我们更深入地探讨信号传输的复杂性，特别是反射系数的概念，通常用伽马 (Γ) 表示。反射系数是一个复数，用于描述传输线中阻抗不连续处反射的电磁波量。它由反射波幅度与入射波幅度之比得出。反射系数为零表示无反射，即阻抗完全匹配；反射系数为一表示全反射。
反射系数本质上与阻抗失配现象相关。本质上，当负载阻抗与源阻抗或传输线阻抗不完全匹配时，就会出现阻抗失配。这种失配会导致信号反射，从而造成功率损耗和系统效率降低。
天线驻波比 (VSWR) 计算公式
VSWR 表示源或负载与天线以及用于电力传输的传输线的阻抗匹配程度，如下所示：
ZL 和 Zo 分别为传输线的负载阻抗和特性阻抗。
当源和负载之间阻抗匹配良好时，不会发生反射，因此 Γ=0，此时 VSWR 为正数和实数，其最小值为 1，最大值为无穷大。因此，对于完美调谐的天线，VSWR 应为 1，表示没有功率反射回源。
VSWR 越大，损耗越大，功率传输效率越低。
对于优质的实时射频组件，对于传输线的典型阻抗值（50Ω 至 75Ω），VSWR 必须低于 1.5:1。回波损耗、反射系数、VSWR 和反射功率百分比之间的关系如表 1 所示。
天线回波损耗、反射系数、VSWR 和反射功率百分比之间的关系VSWR
反射系数
回波损耗(dB)
反射功率百分比
意义
无限大
1
0
100
无功率传输，全部反射（短路或开路）
17
0.84
1
80
80% 反射，20% 传输
6
0.44
3
50
50% 反射，50% 传输 经验法则：3:1=6dB
2
0.32
10
10
10% 反射，90% 传输 经验法则：1.5:1=14dB
1
0
无限大
0
0% 反射，100% 传输，完美匹配
回波损耗和驻波比 (VSWR) 之间的区别
回波损耗和驻波比 (VSWR) 之间的一个关键区别在于它们的计算方式。回波损耗的计算方法是使用反射系数，该系数测量传输系统中给定点的反射波与入射波的比率。另一方面，驻波比 (VSWR) 的计算方法是使用传输线上驻波模式的最大和最小电压电平。
另一个区别在于它们的表达方式。回波损耗始终以 dB 为单位，而驻波比 (VSWR) 是一个比率。高损耗对应于低反射水平。相反，低损耗对应于高反射水平。
同样，接近 1 的驻波比 (VSWR) 对应于良好的阻抗匹配和低反射水平。相反，高驻波比 (VSWR) 对应于较差的阻抗匹配和高反射水平。
尽管存在这些差异，回波损耗和驻波比 (VSWR) 仍然可以评估传输系统的性能。两者都可以提供有关系统反射水平的宝贵信息，并识别和纠正任何影响其性能的问题。
天线回波损耗与驻波比 (VSWR) 的比较VSWR
回波损耗 (RL)
电压与反射电压之比
由于线路不连续而反射的信号部分，用于指示损耗
连接器行业首选
电缆行业首选
线性测量
对数测量
适用于显示较大反射
适用于显示非常小的反射
VSWR=(1+10RL/20)/(10RL/20-1)
Return Loss=20 * Log10 (VSWR+1/VSWR-1)
回波损耗和驻波比换算表
为什么回波损耗是评估传输系统性能的首选指标？
在评估传输系统性能时，回波损耗是首选指标，原因有几个。
• 它是一种更直接的反射测量方法。您可以使用反射系数来计算回波损耗，该系数测量的是传输系统中给定点处反射波与入射波的比率。这使得它比驻波比 (VSWR) 更直接地测量反射。
• 它以 dB 为单位。回波损耗始终以 dB 表示，这是一种对数刻度。这可以更容易地解释和比较不同测量的结果，因为 dB 刻度将较大的差异压缩到较小的范围内。
• 它对微小变化更敏感。由于回波损耗以 dB 表示，因此它对反射水平的微小变化更敏感。这使得它成为识别和排除传输系统中问题的更有用的规范。
为什么要测量回波损耗？
回波损耗是一个需要了解的重要测量指标，因为它会影响传输系统的各个方面。
影响
作用
阻抗水平
回波损耗与传输系统的阻抗水平密切相关。损耗高表示阻抗匹配良好，损耗低表示阻抗匹配不良。
幅度变化
反射会导致信号幅度变化，从而导致信号失真并降低传输效率。通过提高回波损耗来最大限度地减少反射，可以降低幅度变化的影响并提高传输系统的性能
天线测量和调谐
回波损耗是天线调谐时的一个重要参数。损耗高表示天线和传输线之间的阻抗匹配良好，这可以提高天线的性能。
滤波器测量
回波损耗也是测量滤波器性能时需要考虑的一个重要参数。损耗高表示滤波器工作高效，可以抑制不需要的信号。相反，损耗低可能表示滤波器工作不正常。
总的来说，回波损耗是传输系统中需要测量的一个重要参数，因为它会影响传输系统的性能。通过提高回波损耗来最大限度地减少反射，可以提高系统的性能和可靠性，并确保其充分发挥潜力。
如何测量回波损耗？
您可以使用矢量网络分析仪 (VNA) 或频谱分析仪测量回波损耗。
• 矢量网络分析仪 (VNA) 是一种专用仪器，用于测量传输系统的电气特性。它可以测量各种参数，包括回波损耗、阻抗、插入损耗和相移。由于 VNA 具有高精度和高准确度，因此它常用于研发、制造和质量控制应用。
• 频谱分析仪是另一种用于测量信号频率和幅度的电子测试仪器。它可以测量信号的频谱成分以及回波损耗和信噪比等参数。频谱分析仪 (SA) 可用于各种应用，包括频谱监测、干扰和信号分析。
矢量网络分析仪 (VNA) 和频谱分析仪都是计算反射测量值和回波损耗的有用工具，具体选择哪种工具取决于应用的具体需求。
矢量网络分析仪可对复杂系统进行精确的回波损耗测量
对于需要高精度和高精密度的回波损耗测量，例如研发、制造和质量控制，矢量网络分析仪 (VNA) 通常是首选。它们也有助于测量具有多端口或频率相关特性的复杂传输系统。
以下是一些使用频谱分析仪进行回波损耗测量可能更有利的原因。
• 便携性。频谱分析仪比 VNA 更小巧便携，更易于携带到现场进行测量。
• 成本。频谱分析仪 比 VNA 价格更低，对于不需要 VNA 高级功能的用户来说，它是一个经济实惠的选择。
• 易于使用。频谱分析仪通常比 VNA 更易于使用，界面更直观，控制功能更少。这使得它们成为经验不足用户的良好选择。
如何使用频谱分析仪是测量回波损耗？
以下列出了使用频谱分析仪测量回波损耗所需的设备。
校准套件。校准套件，也称为校准标准，是一组用于校准测量系统的已知标准。校准对于确保测量精度至关重要。
连接器和电缆。您需要各种连接器和电缆来将频谱分析仪连接到传输系统，并将校准套件连接到频谱分析仪。
适配器。根据您现有的连接器和电缆，您可能需要一个适配器来将频谱分析仪连接到传输系统。
电源。您需要一个电源来为频谱分析仪和其他您使用的设备供电。电源可以是频谱分析仪本身的一部分。
定向耦合器。如果您使用信号分析仪测量回波损耗，则需要一个定向耦合器。在这里，您可以连接信号跟踪发生器和被测设备。反射输出端口为第三个端口，您需要将其连接到频谱分析仪的输入端口。
计算机。根据您使用的频谱分析仪，您可能需要一台计算机来运行测量软件并查看和分析测量结果。
软件。您需要软件来控制频谱分析仪并查看和分析测量结果。该软件可以随频谱分析仪附带，也可以单独购买。
回波损耗测量分步指南
现在您已经了解了回波损耗测量设置所需的一切，下面是使用频谱分析仪 进行测量的分步指南。
校准测量系统。使用校准套件校准测量系统。这对于确保测量的准确性和精密度至关重要。
连接频谱分析仪。使用合适的连接器和电缆，通过信号跟踪源将频谱分析仪连接到您的传输系统。根据您现有的连接器和电缆，您可能需要使用适配器。
配置测量设置。使用测量软件配置测量设置，包括频率范围、分辨率带宽和其他必要参数。
进行测量。使用测量软件启动测量并捕获回波损耗数据。
分析测量结果。使用测量软件查看和分析测量结果。查找测量数据中任何可能表明传输系统存在问题的异常或偏差。
保存测量数据。保存数据以便日后查看或与后续测量结果进行比较。
断开频谱分析仪。测量完成后，断开频谱分析仪与传输系统的连接并将其关闭。
使用频谱分析仪进行回波损耗测量相对简单。选择合适的设备并遵循以下步骤，可以确保进行准确的测量，并充分利用频谱分析仪。
回波损耗越大越好还是越小越好？
理解回波损耗测量
使用频谱分析仪进行回波损耗测量时，测量结果会以图形或图表的形式显示，其中显示了不同频率下的回波损耗。图形的 x 轴表示信号频率，y 轴表示回波损耗。
高回波损耗测量值 vs 较低的回波损耗测量值
较高的回波损耗测量值表明传输系统的阻抗匹配良好，反射水平相对较低。这是理想的，因为它可以提高传输系统的性能和可靠性。
较低的回波损耗测量值表明传输系统的阻抗匹配较差，反射水平相对较高。这可能导致信号失真、传输效率降低以及其他影响传输系统性能的问题。
回波损耗值越小，表示信号反射越小，传输质量越好。
通过分析测量结果，可以识别影响传输系统回波损耗的任何问题，并根据需要采取纠正措施。
回波损耗是设计和维护传输系统时需要考虑的重要参数，因为它会影响系统的性能和可靠性。
在评估传输系统的性能和可靠性时，测量回波损耗至关重要。使用合适的测试设备，您可以快速准确地测量系统的回波损耗，并识别任何影响其性能的问题。
使用高品质频谱分析仪进行回波损耗测量，提前解决任何潜在问题。这样做可以确保您的传输系统充分发挥潜力，实现最佳性能。
术语表
在讨论驻波比 (VSWR) 和回波损耗时，许多术语、符号和单位会反复出现。让我们花点时间澄清这些术语，以加强对这些关键概念的理解和应用。
VSWR（电压驻波比）：衡量传输线与其负载之间阻抗失配程度的指标。它是传输线驻波模式中最大电压与最小电压之比。
回波损耗：该术语量化了由于阻抗失配引起的反射而损失的功率。它定义为入射功率与反射功率之比，以分贝 (dB) 为单位。
反射系数 (Gamma, Γ)：一个复数，表示阻抗失配导致的反射波量。它是反射波幅度与入射波幅度之比。
失配损耗：量化由于阻抗失配导致的输出功率下降。以 (dB) 为单位。
阻抗：它是衡量施加电压时电路对电流阻力的指标。在信号传输中，我们经常讨论源阻抗、负载阻抗和传输线阻抗。其单位为欧姆 (Ω)。
Decibel (dB)：用于表示物理量（通常是功率或强度）两个值之比的对数单位。
未经同意，请勿转发