特征阻抗、VSWR和反射系数的那点事！

在学习射频和微波的基本原理过程中，也许没有比理解特性阻抗的概念更为重要了。当我们在谈论 50欧姆或75欧姆电缆时， 其实 我们 是在说电缆的 特征阻抗为 50欧姆，75欧姆 等 等。 也许您还记得，在关于特性阻抗常见的介绍里，总是成片的数学公式和各种参数，以及几句聊胜于无的文字介绍，实在令人沮丧。于是本文，我们尝试用一种更为直观的方式来做一下阐释。

首先我们要明确，在今天的 RF /微波系统 中使用 50欧姆 或者 75欧姆 是人为的选择。其实比如说像 43欧姆或者其他数值的阻抗也是可以的，但考虑到实际同轴电缆的物理尺寸，这个范围被限制在20至200欧姆以内。对于传输线而言，尽可能低的损耗和高的功率容量自然是我们期待的，从下图我们可以看出，考虑到方便计算，损耗和功率容量等等因素之后，50欧姆确实是最完美的折中了(针对空气介质)。至于75欧姆，则常见于不需要大功率传输的情况，例如有线电视线缆。

图1

但有一点要提醒的是特性阻抗的概念其实很广，包括所有的同轴线，印制电路板传输线、微带、带状线、双引线和双绞线。如果您自己设计 PCB的传输线的话，您可以选择自己需要的值，而不必非得是50或者75欧姆。甚至自由空间本身也具有阻抗特性， 在自由空间和其他无界介质的情况下，该阻抗 我们 称为固有阻抗。

使用 50欧姆同轴电缆的 一个 实验

如果有人拿着一根 1000英尺长的电缆对你说“这是50欧姆阻抗的电缆，好好用吧”，然后你决定拿着欧姆表来验证一下是否真的如此。你将欧姆表的两根引线分别连到电缆的内导体和外导体，而线缆的尾端保持着开路，你会惊讶地看到它读到接近无限阻抗！然后你再把尾端处的内外导体短接，然后从这一头的开口端再测，现在读数变成接近零欧姆了，怎么会这样！然后你赶紧安慰自己‘不要慌，其实它真的应该是50欧姆的 …… ’

您的仪表没有告诉您电缆为 50欧姆的原因是它无法读取瞬时电压/电流比（V = IR） 。其实普通的欧姆表具有非常高的内阻，欧姆表中的任何电容将与内部电阻结合会形成非常大的时间常数。这种大的时间常数使得这种类型的仪器不可能快速响应，以便在连接欧姆表导线的那一刻 “看到”在同轴线上引入的高速脉冲。

所以我们不能使用常规的欧姆表测试方法来进行测试，于是我们将采用图 2的电路 方案 。该电路允许我们通过切换开关来产生电流脉冲。星号表示希望观察和测量当前的位置。

图 2

我们将假设开关已经处于放电位置很长时间，确保同轴电缆上不存在电压。现在，如果我们将开关转到 CHARGE （充电） ，会发生什么？此时开关将电池（ +）连接到同轴电缆的中心 内 导体，它开始 对 该同轴电缆 进行充电 ，类似于对电容器充电。然后，我们可以通过将中心导体短路到屏蔽 线、关闭 电池或切换 开关 到放电位置来放电。

这样，通过操作图 2的简单开关，我们可以在同轴电缆上引入电流“脉冲”。如果您在开关首次连接到CHARGE （充电）时 测量中心导线中的电流，您将看到将达到最大值 Imax = Vbat / Zo的电流脉冲，其中Zo是同轴电缆的特性阻抗 ， Vba t是电池电压 。有时，特性阻抗 也 称为同轴电缆的浪涌阻抗。

那究竟是同轴电缆的什么特性对 浪涌 电流形成如上式的约束关系，换句话说为什么同轴电缆不能 ‘立即’充电？为了回答这个问题，我们来对比一下一个理想电容器 的充电方式和 按照图 1 连接 开关电路 的 同轴电缆。

理论上，如果把一个理想电容和一个同样理想的电源相连，在那一刻的瞬时电流将会无穷大，电容器将立即完成充电。当然这里的假设是理想电容器在电流路径中具有零电阻和零电感，并且物理长度被视为零，这样电流脉冲不会在空间中传播。而我们实际的同轴线缆有单位长度的电阻分量和电感分量，并具有物理长度，这些因素都导致浪涌电流产生迟滞。

无限长度同轴电缆的等效电路

从上述讨论中，我们可以构建一个理想的电路，如图 3 。 理想情况下， 这里我们认为 同轴电缆是无损 的， 电阻和电容 也是理想的 ，没有寄生 的 电感，电容和 电阻分量 。 黑盒 1 中 包含无限长度的同轴电缆，另一个 黑盒中是 一小段同轴电缆 ， 电缆 尾部 的内部导体和外部屏蔽层之间连接有串联RC网络。串联 电阻 R等于同轴电缆特性阻抗Z欧姆 ，串联电容无限大。在我们使用欧姆表，电压表，示波器，时域反射计，网络分析仪等等仪器之后，可以看出测量结果没有差异，我们得出结论，两个黑箱含相同的物理电路或电缆长度。

图 3

测量同轴电缆阻抗的其他方法

浪涌电流法并不是测量同轴电缆特性阻抗的通常方法，但它确实可行，并具有直观的吸引力。 另一种方法 则 是测量其每单位长度的电感和电容 ; L除以C 之后的 的平方根将以欧姆（不是法拉或亨利）为单位 。

为什么不同的电缆具有不同的特性阻抗呢？就是因为 每单位长度具有 不同 的电容和电感。 对于同轴电缆，这将由内 /外导体比和同轴电缆导体之间材料的介电常数决定 ， 对于微带线，主要是 由 PCB板的 传输线 宽度，介电常数和 PC板的厚度 决定。

VSWR， 告诉 我们 离 理想阻抗 究竟还有多远

也许现在您了解了 “ 50欧姆”电缆的意义， 甚至 您现在 希望在 所有的布线，连接和设备中 都 力求 “完美的50欧姆” 了，可是实际上没有同轴电缆，连接器，放大器等等都正好是 50欧姆。 所以 我们需要一种 参数能告诉我们究竟离 50欧姆有多远 。最常见的方式是 VSWR （ 电压驻波比 ）， 一个 听起来有点 复杂的 名字 。 我们希望通过掌握 VSWR的概念能更加合理的理解我们的阻抗和理想值的接近程度，它的 概念适用于任何特性阻抗， 50欧姆或其他。

同轴电缆和