反射不是憑空消失的功率

Philip H. Smith 在 1928 年進入 Bell Labs,參與跨洋無線電系統。他面對的天線陣列由超過兩公里的傳輸線連接;訊號送向天線時,一部分能量卻沿線反射回來。影片先以兩條材質不同的彈簧示範:波到達交界處時,一部分繼續前進,一部分折返;兩邊性質越接近,反射越小。

同樣的事會發生在傳輸線。訊號往前與反射回來的波互相干涉,形成駐波;嚴重時,局部峰值電壓可能達到輸入的兩倍。片中再用縮小版無線電實驗重現功率損失。不過 7:00 左右的口白把接收功率說成 dB,畫面則標示 dBm:Keysight 的定義中,dB 是兩個功率的相對比值,dBm 才是以 1 mW 為基準的絕對功率。影片用 4 dB 描述前後落差沒有問題,讀出單一接收功率時則應寫 dBm。

把無限延伸的阻抗壓進一個圓

每條傳輸線都有特性阻抗;許多射頻系統以 50 Ω 為目標。負載不匹配時,阻抗不只包含電阻,還有以複數表示的電抗,而且會隨測量位置沿傳輸線改變。直接把所有可能阻抗畫在複數平面上,範圍會從短路的 0 一直延伸到開路的無限大。

Smith 與同事先把阻抗除以傳輸線的特性阻抗,讓 1 代表完美匹配,再用保角映射把無限平面彎進有限範圍。更關鍵的轉換,是改畫反射波與前進波的比值:在無損傳輸線上,阻抗本來會沿傳輸線改變,反射係數的大小卻保持不變,只剩相位轉動。固定電阻與固定電抗的直線經轉換後成為一族交錯圓弧,最後組成 Smith Chart。

Smith Chart 上標出一個阻抗位置,圓心與標記之間畫有箭頭。