弱弱的问：S11参数、电压反射系数和驻波系数之间有什么关联？

满天星

如题，请大家帮忙介绍一下，谢谢！

superfrank

找本微波技术的基础书看看吧，太基础的问题了

满天星

[em10]寒，楼上的不帮忙，也没必要这么显摆吧！

kinpoagilent

驻波比（SWR）
两频率相同、振幅相近的电磁波能量流（energy flows）面对面地相撞（impinge）在一起，会产生驻波（standing wave），这种电磁波的能量粒子在空间中是处于静止（stand）状态（motionless）的，此暂停运动的时间长度比两电磁波能量流动的时间要长。因为驻波的能量粒子是静止不动的，所以，没有能量流进驻波或从驻波流出来。上述叙述较抽象，但是这里举个类似的例子，就可说明什么是驻波：做个物理实验，将两个口径、流速都相同的水管，面对面相喷，在两水管之间将会激起一个上下飞奔的水柱，这个水柱就是驻波。如果是在无地心引力的空间中，这个水柱将静止在那里不会坠地。
电磁波在传输在线流动，入射波和反射波相遇时就会产生驻波。驻波比（standing wave rate；SWR）是驻波发生时最大电压和最小电压的比值（VSWR），或最大电流和最小电流的比值(公式一)：
SWR = (VO + VR)/ (VO - VR) = (IO + IR)/ (IO - IR) = 1＋｜Γ｜/ 1－｜Γ｜
WR可以被用来判定传输线阻抗匹配的情况：当SWR=1时，表示没有反射波存在，电磁波能量能完全传递到负载上，也就是传输线阻抗完全匹配；当SWR=∞时，表示VO = VR或IO = IR，电磁波能量完全无法传递到负载上，传输线阻抗完全不匹配。SWR测量仪是高频传输线、发射机（transmitter）、天线工程师常使用的参数，与它类似的是应用在有线电视缆线（Cable TV cable）的「返回耗损（Return Loss）」或称作dBRL。两者的差别有二：(1)dBRL=0表示阻抗完全不匹配，dBRL=∞表示阻抗完全匹配。(2)SWR测量仪是以发射机为信号来源，自己并没有发射源，但dBRL测量仪是用自己的发射源来测量缆线的阻抗匹配情况。
‧史密斯图（Smith Chart）介绍：
为了达到阻抗匹配的目的，必须使用史密斯图。此图为P. Smith于1939年在贝尔实验室发明的，直到现在，它的图形仍然被广泛地应用在分析、设计和解决传输线的所有问题上。它能将复数的负载阻抗（complex load impedance）映射（map）到复数反射系数（complex reflection coefficients）的Γ平面上，这种映射过程称作「正常化（normalization）」。如(图一)所示，大小不同的圆弧代表实数（rL）与虚数（xL）的大小，越往右边阻抗越大，越往左边阻抗越小。乍看之下，史密斯图很类似极坐标（polar coordinate），不过，它的X-Y轴坐标分别是Γr和Γi，而且Γ= |Γ|ejθr =Γr + jΓi ，r代表实数（real number），i代表虚数（image number）。在图一中，中心线为电阻值，中心线上方区域为感抗值，中心线下方区域为容抗值，直径和中心线重迭的圆代表不同的实数（rL），中心线两旁的圆弧代表不同的虚数（rL）。正常化负载阻抗（normalized load impedance）zL = ZL/Z0= 1+Γ/1-Γ，zL= rL+jxL，其实zL就是史密斯图上的复数，它没有计量单位（dimensionless），是由实数rL和虚数xL构成的。负载阻抗ZL就是由小写的zL映射到复数反射系数Γ平面上的。史密斯图的圆心代表Γ=0，zL=1，ZL= Z0，负载阻抗匹配，如(图三)所示。
将阻抗转换到Γ平面后，就能得出代表传输线匹配或不匹配的反射系数（公式二）：
Γ=
ZL-Z0
ZL+Z0
　
   

图一　史密斯Z坐标图
　


图二　无耗损传输线电路
　
在上式中，Γ就是（电压）反射系数，它的定义是：反射波（reflected voltage wave）的电压振幅与入射波（incident voltage wave）的电压振幅之比值；ZL是负载阻抗（load impedance），Z0是特性阻抗（characteristic impedance）。当ZL = Z0时，达到阻抗匹配，Γ为零。如(图二)所示，假设ZL = Z0，电压源（Vg）产生的功率几乎可以完全供给负载使用，而从负载反射回电压源的功率非常小。对负载应用而言，必须设法求得特性阻抗，并使负载阻抗等于它。亦即，在图三中的Γ必须尽量在绿色区域之中。图三也称为珈玛坐标图（Gamma-centric chart），有别于图一的Z坐标图（Z- centric chart）。
　


图三　史密斯Γ坐标图
　
理想的无耗损（lossless）传输线是依据下列公式来转换负载阻抗ZL（公式三）：
Z = Z0
ZL cos(l 2/) + j Z0 sin(l 2/)
Z0 cos(l 2/) + j ZL sin(l 2/)
在上式中，l是无耗损传输线的长度，l 2/是此传输线长度与波长相比的角度值（radian）。从上式和图二中，可以得出下列重要的结论：
(1)如果ZL = Z0，则无论传输线的长度大小为何，输入端阻抗Z或Zin永远等于特性阻抗Z0。
(2)Z是以/2为单位做周期变化。
(3)正常化输入阻抗（normalized input impedance）zin=Zin/Z0= 1+Γl/1-Γl，其中，Γl 的振幅与电压反射系数Γ的振幅一样，但是相角差2βl（β=2π/λ），l是传输线长度。所以，Γl被称为「相移电压反射系数（phase-shifted voltage reflection coefficient）」，而且Γl =Γe-j2βl。因此，如果Γ转换成（transform）Γl，zL就被转换为zin了，在史密斯图上的反射系数角位（angle of reflection coefficient in degrees）是以顺时钟方向，随传输线长度l由0最大增加到0.5λ，这个方向上的刻度称为「波长朝产生器（wavelengths toward generator；WTG）」方向的刻度，有别于逆时钟方向的「波长朝负载（wavelengths toward load；WTL）」方向的刻度。
(4)在史密斯图的圆心处划一个圆，它将和实数轴与虚数轴相交于数个点，每个点与圆心的距离相等，这个圆称作「常数｜Γ｜圆」；也叫作「驻波率（standing-wave ratio；SWR）圆」，这是因为驻波率S=1＋｜Γ｜/ 1－｜Γ｜。
如果今天已知传输线长度l和zL，利用史密斯图，就可以很快地求出zin。
(5)纯电阻窄频匹配（resistive narrowband match）时，驻波率刚好等于rL和驻波率圆相交的右边接点Pmax。虽然rL和驻波率圆相交的接点有两个Pmax和Pmin，但是左边接点Pmin的rL值小于1，而且驻波率必须大于或等于1，所以Pmin不予考虑。藉由史密斯图和已知的负载阻抗，就可以很快地求得在传输在线最大电压或最小电流、最小电压或最大电流的位置。
上述功能，说明了利用史密斯图就能得到负载的复数阻抗之匹配值。


阻抗（impedance）和导纳（admittance）的转换
在解决某些类型的传输线问题时，为求方便起见都使用导纳来表示。导纳是阻抗的倒数，其数学定义是：Y=1/Z=G+jB，G称作电导（conductance），B称作电纳。正常化导纳y是正常化阻抗z的倒数，所以y=1-Γ/1+Γ。如果在史密斯图上顺时钟移转λ /4（互成反方向），zL将转换成zL。虽然，Y参数（=[Y][V]）的导纳和Z参数（[V]=[Z]）的阻抗，都只能代表低频电路的特性，但是与代表高频电路特性的S参数（[V-]=[S][V+]）类似的Y参数是由四种导纳变数构成的，藉由Y参数（一般是从所测量的S参数转换而来）可以得到晶体管闸阻抗之值，这在深次微米设计中是非常重要的。S参数是被用来表示射频微波多端口网络（multiple network）中多电波的电路特性。
■史密斯图应用范例
应用上述原理和方法，将一般的50-Ω无耗损传输线之一端接有负载阻抗ZL =（25+j50）Ω，使用史密斯图可以得到：
(1)电压反射系数：zL= ZL/Z0=（25+j50）/50=0.5+j1，从史密斯图中可以查出反射系数的相角为83°，用尺可以量得反射系数的振幅为0.62；所以，电压反射系数Γ= 0.62ej83°。
(2)电压驻波比（SWR）：使用圆规在史密斯图上，以Γ=0为圆心，划一个圆（驻波率圆）通过0.62ej83°，这个圆和Γr相交在两点，其中一点的rL值大于1，为4.26，亦即电压驻波比S=4.26。
(3)距负载最近的最大电压与最小电压的位置：最大电压在驻波率圆和Γr相交的点上，查史密斯图，此点的位置是0.25λ，负载的位置是0.135λ，所以它和负载的距离是lmax=0.25λ-0.135λ=0.115λ；最小电压和最大电压的距离差0.25λ，所以它和负载的距离是lmin=0.115λ+0.25λ=0.365λ。
(4)若此传输线长度为3.3λ，可求出其输入阻抗和输入导纳：3.3λ除以0.5λ后剩余0.3λ，从负载阻抗在史密斯图上的位置顺时钟移动（WTG）0.3λ，就是输入阻抗的位置。因此，输入阻抗的位置是在0.135λ+0.3λ=0.435λ直线上，它与驻波率圆相交于一点，查史密斯图，此点即是正常化输入阻抗zin=0.28-j0.4，经转换可求得输入阻抗Z in=zinZ0=(0.28-j0.4)*50=(14-j20)Ω；从zin顺时钟移动0.25λ并与驻波率圆相交于一点，可以得到正常化输入导纳yin=1.15+j1.7，经转换可求得输入导纳Yin=yinY0=yin/ Z0=(1.15+j1.7)/50=（0.023+j0.034）S（全名为Siemens，是导纳的基本计量单位）。
‧使用史密斯图反求负载阻抗
假设：只知道一条50Ω无耗损传输线的驻波比S=3，距负载最近的最小电压位置是5cm，其次是20cm，试求负载阻抗。
解决方法：因为最小电压的间距为λ / 2，所以，λ = 40cm。距负载最近的最小电压在史密斯图上的位置就是5/40=0.125λ。在史密斯图上划驻波率圆，半径为3，此圆与Γr相交于两点，rL值小于1的点就是距负载最近的最小电压，在驻波率圆上，从此点逆时钟移动0.125λ，可以得到负载的正常化阻抗zL=0.6 - j0.8。经转换后，就可得出负载阻抗ZL=Z0*zL=(30 - j40)Ω。

[br]<p align=right><font color=red>+3 RD币</font></p>

满天星

多谢kinpoagilent！
最关键的S11与SWR的关系任存有疑问，有请热心人帮忙解答。[em01]

Diode07V

因为驻波比＝1＋反射系数/1－反射系数

我感觉楼主是不是想了解反射系数和s11之间的关系和区别啊？ 我理解当s12＝0时，s11就是反射系数，不知道理解的对不对

zjh221

我是这样理解的

s11的测量方法是当输出端口特性阻抗为Z0的传输线处于匹配状态时,s11=输入反射系数(GAMMA   in=(Zin-Z0)/(Zin+Z0)).参考射频电路设计---理论与应用P113

此处的S11是用归一化电压波来表示的,至于是不是电压反射系数,我还是不太清楚
楼上说S12=0.我个人觉得不对,此时(输出匹配)只是输出反射电压波为零

请教了[br]<p align=right><font color=red>+3 RD币</font></p>

superfrank

s11的定义是，一个N端口网络，其他端口处于匹配状态时，1端口的电压反射系数，
电压发射系数是通用的概念，即反射波比上入射波，
驻波比于发射系数之间有转换公式，楼上的已经说了，SWR是驻波比，VSWR是电压驻波比，我们通常使用电压驻波比，而电流驻波比是其倒数。
6楼的说S12＝0时，s11就是反射系数，指的是一个二端口网络吧？这时b1＝s11*a1,自然s11等于反射系数，关于s参数与输入反射系数，输出反射系数，很多书上都有完整的公式。

建议楼主看一些微波技术的基础书，比如《微波技术》，东南大学的。《微波技术基础》西安电子科大的，等等，还可以看看微波网络方面的书。楼主，我没有显摆啥，这确实是比较基础而且很多地方有资料可询的问题，我认为看书要比我三言两语解释得要清楚得多[br]<p align=right><font color=red>+3 RD币</font></p>

plthgame2

S11是不是反射系数跟S12没什么关系吧.二端口网络S12=0,那S11=1啊.不传输就反射么

反射系数怎么定义的??   V-/V+

S11怎么定义的??    V1-/V1+


应该就是1端口的反射系数吧....

也不知道理解的对不对/....

plthgame2

哦对了  前提条件应该是其他端口匹配时候1端口的反射系数....

superfrank

不一定是1，如果是1，则等效于输入面短路或开路。
以2端口网络为例，即使2端匹配，但从输入面来看，经过网络后，输入阻抗可以是任意值得，所以s11也可以是任意值

superfrank

补充：第一句话不严谨，在其他端口匹配得条件下

superfrank

最简单的一个例子，理想隔离器的s参数
s11＝0，s12=0,s21=1,s22=0

plthgame2

啊   对不起  我说的应该是无耗网络    S11+S12=1的那种 ...不好意思 老是有遗漏[em07]

plthgame2

应该是|S11|   |S12|平方和,1i

满天星

我认为各位的答案都有进一步的考虑，不管你电路是如何匹配，都会有反射系数，只是有大小之分而已。
我提这个问题本意是：S11反应的是能量的反射系数，而电压反射系数只是反应电压或电流反射规律。这两者之间肯定有必然的联系，尽管在某些特殊情况下，电压反射系数可能等于S11，但绝对不是一个概念。
欢迎批评指正，谢谢！[br]<p align=right><font color=red>+3 RD币</font></p>

superfrank

电压反射系数仅仅指电压，顾名思意，如果是电流，那叫电流反射系数。
实际上，确实无论如何匹配都有反射系数，这是又现实不理想条件决定的。但理想上，最简单的，50ohm同轴接一个50ohm电阻，那反射系数就是0。
楼主，s11 当然与反射系数是不能划等号的，我依然建议你去找一本书，从基础看起，那样会理解的比较清晰些
给出你一个公式gamma（in）＝s11+(s12*s21*gammaL)/(1-s22gammaL)
希望能帮助你理解[br]<p align=right><font color=red>+3 RD币</font></p>

plthgame2

S参数是在匹配负载的情况下定义的   能量和电压只有平方的关系啊.

plthgame2

理论上,当接匹配负载的时候Sii肯定就是i端口的反射系数,这在书上写的很明确.

如果接的不是匹配负载  讨论S11就没什么意义了...那要具体问题具体分析啊,求出Zin再用最基本的反射系数公式求出来.

还有楼上的那个公式,弱弱的问句,gamma(in)是输入端反射系数??gammaL是什么啊???

superfrank

负载反射系数