测试系统阻抗匹配与开关质量的评价

阻抗失配会引起信号反射，这是高频测试系统所不希望出现的现象。对于交流信号而言，材料之间介电常数的任何变化都会导致特性阻抗的变化和阻抗失配问题。例如，当某个正弦波沿着某条40.9-W传输线和50-W负载传输时，它的部分能量将会反射回传输线上。掌握信号反射发生的原理有助于我们改进测试系统的配置和测量效果，这对于高频测试尤其重要。

尽管由于反射导致的功率损耗是所有交流系统普遍存在的现象，但是仅当系统中传输线的长度大于其传输信号波长的1/100时，由功率损耗而导致的测量误差才值得我们关注。由于射频信号具有较短的波长，因此它们相比低频信号更容易受反射导致的功率损耗的影响。

我们来对比一个1MHz的正弦波和一个1GHz的正弦波在1m长的同轴线缆上的传输特性，通过这个例子可以说明线缆长度与信号波长之间的关系。这两种信号的波长可以根据公式(1)计算出来。

其中：λ=信号的波长；f=信号频率；VF=线缆的速度因子。假设两个系统中线缆的速度因子都是0.66，那么可得以下结果：

对于频率为1MHz的信号(信号1)：

对于频率为1GHz的信号(信号2)：

相比信号1的波长，线缆的长度是相对较小的(如图1所示)。因此，线缆上不同位置的任何电势差异都是可以忽略的。由于信号1无法以波的形式在线缆上传输，因此它不存在由于反射导致的功率损耗问题。但是信号2的波长是线缆长度的1/5，因此任意时刻都有5个周期的信号2在线缆上传输。这种波长较短的信号在线缆上传输时就会呈现出波的形式，在具有不同特性阻抗的结点上就会发生反射。

射频元件的特性阻抗并不是直流电阻。相反，对于传输线上的某个点，特性阻抗可以定义为在不存在任何反射的情况下这一点上一对电流和电压波的比。实际上，信号的频率以及传输线的单位电阻、电导、电容和电感等就决定了这一电压与电流的比值。因此，这些因素也就决定了特性阻抗的大小(Zo)。传输线(如图2所示)单位长度的特性阻抗可以表示为公式(2)：

其中：L=单位长度的电感，R=单位长度的电阻，G=单位长度的电导，C=单位长度的电容，ω=2pf，j=(-1)0.5

典型的射频传输系统包括一个产生信号的信号源、传输该信号的传输线以及解析或广播该信号的负载。在如图3所示的系统例子中，Pin表示源产生信号的功率，Pout表示传输线输出端的信号功率，Preflected表示由于硬件上阻抗不匹配而产生的信号反射所导致的功率损耗。由于存在制造容差和材料缺陷，真实世界中的硬件总是具有一定程度的阻抗不匹配，Preflected的值不可能等于零。因此，在实际系统中，Pout的值总是小于Pin。

由于反射而导致的功率损耗可以用多种方法来衡量。其中一种方法是计算回波损耗(return loss)，它是指反射回源端的信号功率与源发射功率的比值的对数：

回波损耗的取值范围从理想匹配系统(所有元件具有相同的特征阻抗值)的无穷大到开路和短路电路的零。VSWR(Voltage Standing-Wave Ratio，电压驻波比)是另外一种衡量射频系统阻抗匹配和反射功率大小的指标。正如其名所暗示的那样，VSWR是指入射波和反射波叠加之后形成的驻波上最大幅值与最小幅值二者的比值。VSWR的取值范围从理想匹配系统的1到开路或短路电路的无穷大。

为了更好的理解VSWR，我们不妨以图4中的系统为例。假设源端发出的功率恒定不变。反射回源端的信号功率的增加将会导致到达负载端信号功率的相应减少。当在75-W的同轴电缆上传输的信号波遇到50-W的终端时，由于元件阻抗的不匹配就会导致出现反射现象。在计算这一例子的VSWR之前，我们需要首先计算出反射系数(Γ)：

反射系数的计算结果表明20%的入射波将会反射回传输线和负载之间的不连续点。然后我们可以利用这个值来计算系统的VSWR：

对于只有几个不连续点的简单电路可以通过这些公式计算出VSWR。但是对于更加复杂的电路，在计算VSWR时需要利用VNA(Vector Network Analyzer，矢量网络分析仪)分析信号的入射、反射和合成波，判断最大驻波幅值与最小驻波幅值的比。图5给出了在两个不同时刻，在分析仪上观察到的图4的射频系统中传输信号的入射、反射、传输和驻波的波形。在第一个时刻，信号源的输出波形是一个1Vpp的正弦波，它与反射信号同相。因此，在这个时刻，驻波(1.2Vpp)的幅值是入射波(1Vpp)和反射波(0.2Vpp)电压的矢量和。这也可能是最大的驻波幅值。在第二个时刻，入射波与反射波的相位彼此相差180度。因此，这时的驻波(0.8Vpp)幅值可能是最小的，它是入射波(1Vpp)和反射波(0.2Vpp)电压的差。