回波损耗反射系数电压驻波比以及S参数的物理意义Word文档格式.docx
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需要说明的是,S参数表示的是全频段的信息,由于传输线的带宽限制,一般在高频的衰减比较大,S参数的指标只要在由信号的边缘速率表示的EMI发射带宽范围内满足要求就可以了。
回波损耗,反射系数,电压驻波比,S11这几个参数在射频微波应用中经常会碰到,他们各自的含义如下:
回波损耗(ReturnLoss):
入射功率/反射功率,为dB数值反射系数(Г):
反射电压/入射电压,为标量电压驻波比(VoltageStandingWaveRation):
波腹电压/波节电压S参数:
S12为反向传输系数,也就是隔离。
S21为正向传输系数,也就是增益。
S11为输入反射系数,也就是输入回波损耗,S22为输出反射系数,也就是输出回波损耗。
四者的关系:
VSWR=(1+Г)/(1-Г)
(1)
S11=20lg(Г)
(2)
RL=-S11(3)以上各参数的定义与测量都有一个前提,就是其它各端口都要匹配。
这些参数的共同点:
他们都是描述阻抗匹配好坏程度的参数。
其中,S11实际上就是反射系数Г,只不过它特指一个网络1号端口的反射系数。
反射系数描述的是入射电压和反射电压之间的比值,而回波损耗是从功率的角度来看待问题。
而电压驻波的原始定义与传输线有关,将两个网络连接在一起,虽然我们能计算出连接之后的电压驻波比的值,但实际上如果这里没有传输线,根本不会存在驻波。
我们实际上可以认为电压驻波比实际上是反射系数的另一种表达方式,至于用哪一个参数来进行描述,取决于怎样方便,以及习惯如何。
回波损耗与VSWR之间的转换关系,读者可以采用上面的式子1和2来手动计算。
反射系数/行波系数/驻波比/回波损耗1、定义:
天馈线匹配:
阻抗匹配的优劣一般用四个参数来衡量,即反射系数,行波系数,驻波比和回波损耗,四个参数之间有固定的数值关系,使用那一个均出于习惯。
通常用的较多的是驻波比和回波损耗。
比:
它是行波系数的倒数,其值在1到无穷大之间。
驻波比为1,表示完全匹配;
驻波比为无穷大表示全反射,完全失配。
在移动通信系统中,一般要求驻波比小于1.5。
回波损耗:
它是反射系数绝对值的倒数,以分贝值表示。
回波损耗的值在0dB的到无穷大之间,回波损耗越大表示匹配越好。
0表示全反射,无穷大表示完全匹配。
在移动通信系统中,一般要求回波损耗大于14dB。
2、公式表达2.1驻波比:
S=电压最大值/电压最小值
=Umax/Umin2.2行波系数:
K=电压最小值/电压最大值=Umin/Umax
=(入射波振幅-反射波振幅)/(反射波振幅+入射波振幅)2.3
受影响,但是如果天线与信号频率不谐振,则发射效率会大打折扣。
所以,在天线匹配需要做到的两点中,谐振是最关键的因素。
在早期的发信机,例如本期介绍的71型报话机中,天线电路只用串联电感、电容的办法取得与工作频率的严格谐振,而进一步的阻抗配合是由线圈之间的固定耦合确定死的,在不同频率下未必真正达到阻抗的严格匹配,但是实际效果证明只要谐振就足以好好工作了。
因此在没有条件做到VSWR绝对为1时,业余电台天线最重要的调整是使整个天线电路与工作频率谐振。
天线的驻波比和天线系统的驻波比
天线的VSWR需要在天线的馈电端测量。
但天线馈电点常常高悬在空中,我们只能在天线电缆的下端测量VSWR,这样测量的是包括电缆的整个天线系统的VSWR。
当天线本身的阻抗确实为50欧姆纯电阻、电缆的特性阻抗也确实是50欧姆时,测出的结果是正确的。
当天线阻抗不是50欧姆时而电缆为50欧姆时,测出的VSWR值会严重受到天线长度的影响,只有当电缆的电器长度正好为波长的整倍数时、而且电缆损耗可以忽略不计时,电缆下端呈现的阻抗正好和天线的阻抗完全一样。
但即便电缆长度是整倍波长,但电缆有损耗,例如电缆较细、电缆的电气长度达到波长的几十倍以上,那么电缆下端测出的VSWR还是会比天线的实际VSWR低。
所以,测量VSWR时,尤其在UHF以上频段,不要忽略电缆的影响。
不对称天线
我们知道偶极天线每臂电气长度应为1/4波长。
那么如果两臂长度不同,它的谐振波长如何计算?
是否会出现两个谐振点?
如果想清了上述琴弦的例子,答案就清楚了。
系统总长度不足3/4波长的偶极天线(或者以地球、地网为镜象的单臂天线)只有一个谐振频率,取决于两臂的总长度。
两臂对称,相当于在阻抗最低点加以驱动,得到的是最低的阻抗。
两臂长度不等,相当于把弓子偏近琴马拉弦,费的力不同,驱动点的阻抗比较高一些,但是谐振频率仍旧是一个,由两臂的总长度决定。
如果偏到极端,一臂加长到1/2波长而另一臂缩短到0,驱动点阻抗增大到几乎无穷大,则成为端馈天线,称为无线电发展早期用在汽艇上的齐柏林天线和现代的1/2波长R7000垂直天线,当然这时必须增加必要的匹配电路才能连接到50欧姆的低阻抗发射机上。
偶极天线两臂不对称,或者两臂周围导电物体的影响不对称,会使谐振时的阻抗变高。
但只要总电气长度保持1/2波长,不对称不是十分严重,那么虽然特性阻抗会变高,一定程度上影响VSWR,但是实际发射效果还不至于有十分明显的恶化。
QRPer不必苛求VSWR
当VSWR过高时,主要是天线系统不谐振时,因而阻抗存在很大电抗分量时,发射机末级器件可能需要承受较大的瞬间过电压。
早期技术不很成熟时,高VSWR容易造成射频末级功率器件的损坏。
因此,将VSWR控制在较低的数值,例如3以内,是必要的。
现在有些设备具有比较完备的高VSWR保护,当在线测量到的VSWR过高时,会自动降低驱动功率,所以烧末级的危险比20年以前降低了很多。
但是仍然不要大意。
不过对于QRP玩家讲来,末级功率有时小到几乎没有烧末级的可能性。
移动运用时要将便携的临时天线调到VSWR=1却因为环境的变幻而要绞尽脑汁。
这时不必太丧气。
1988-1989年笔者为BY1PK试验4W的CW/QRP,使用长度不足1.5米的三楼窗帘铁丝和长度为1.5米左右的塑料线做馈线,用串并电容的办法调到天线电流最大,测得VSWR为无穷大,却也联到了JA、VK、U9、OH等电台。
后来做了一个小天调,把VSWR调到1,但对比试验中远方友台报告说,VSWR的极大变化并没有给信号带来什么改进,好像信号还变弱了些,可能本来就微弱的信号被天调的损耗又吃掉了一些吧。
总之,VSWR道理多多。
既然有了业余电台,总是免不了和VSWR打交道,不妨多观察、积累、交流各自的心得吧。
天线系统和输出阻抗
天线系统和输出阻抗为50欧的发信机的匹配条件是天线系统阻抗为50欧纯电阻。
要满足这个条件,需要做到两点:
第一,天线电路与工作频率谐振(否则天线阻抗就不是纯电阻);
第二,选择适当的馈电点。
一些国外杂志文章在介绍天线时经常给出VSWR的曲线。
有时会因此产生一种错觉,只要VSWR=1,总会是好天线。
其实,VSWR=1只能说明发射机的能量可以有效地传输到天线系统。
但是这些能量是否能有效地辐射到空间,那是另一个问题。
一副按理论长度作制作的偶极天线,和一副长度只有1/20的缩短型天线,只要采取适当措施,它们都可能做到VSWR=1,但发射效果肯定大相径庭,不能同日而语。
做为极端例子,一个50欧姆的电阻,它的VSWR十分理想地等于1,但是它的发射效率是0。
而如果VSWR不等于1,譬如说等于4,那么可能性会有很多:
天线感性失谐,天线容性失谐,天线谐振但是馈电点不对,等等。
在阻抗园图上,每一个VSWR数值都是一个园,拥有无穷多个点。
也就是说,VSWR数值相同时,天线系统的状态有很多种可能性,因此两根天线之间仅用VSWR数值来做简单的互相比较没有太严格的意义。
天线VSWR=1说明天线系统和发信机满足匹配条件,发信机的能量可以最有效地输送到天线上,匹配的情况只有这一种。
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- 关 键 词:
- 回波 损耗 反射 系数 电压 驻波 以及 参数 物理 意义
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