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小談駐波比

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  電壓駐波比(VSWR)是射頻技術(shù)中最常用的參數(shù),用來衡量部件之間的匹配是否良好。當(dāng)業(yè)余無線電愛好者進(jìn)行聯(lián)絡(luò)時(shí),當(dāng)然首先會(huì)想到測量一下天線系統(tǒng)的駐波比是否接近1:1,         
   如果接近1:1,當(dāng)然好。常常聽到這樣的問題:但如果不能達(dá)到1,會(huì)怎樣呢?駐波比小到幾,天線才算合格?為什么大小81這類老式的軍用電臺(tái)上沒有駐波表?         
   本文不打算重復(fù)很多無線電技術(shù)書籍中關(guān)于電壓駐波比的理論敘述,只是想從感性認(rèn)識(shí)的層面談幾個(gè)實(shí)用問題。         
VSWR及標(biāo)稱阻抗         
   發(fā)射機(jī)與天線匹配的條件是兩者阻抗的電阻分量相同、感抗部分互相抵消。如果發(fā)射機(jī)的阻抗不同,要求天線的阻抗也不同。在電子管時(shí)代,一方面電子管本輸出阻抗高,另一方面低阻抗的同軸電纜還沒有得到推廣,流行的是特性阻抗為幾百歐的平行饋線,因此發(fā)射機(jī)的輸出阻抗多為幾百歐姆。而現(xiàn)代商品固態(tài)無線電通信機(jī)的天線標(biāo)稱阻抗則多為50歐姆,因此商品VSWR表也是按50歐姆設(shè)計(jì)標(biāo)度的。         
   如果你擁有一臺(tái)輸出阻抗為600歐姆的老電臺(tái),那就大可不必費(fèi)心血用50歐姆的VSWR計(jì)來修理你的天線,因?yàn)槟菢臃炊鴰偷姑。只要設(shè)法調(diào)到你的天線電流最大就可以了。         
VSWR不是1時(shí),比較VSWR的值沒有意義         
   天線VSWR=1說明天線系統(tǒng)和發(fā)信機(jī)滿足匹配條件,發(fā)信機(jī)的能量可以最有效地輸送到天線上,匹配的情況只有這一種。         
   而如果VSWR不等于1,譬如說等于4,那么可能性會(huì)有很多:天線感性失諧,天線容性失諧,天線諧振但是饋電點(diǎn)不對(duì),等等。在阻抗園圖上,每一個(gè)VSWR數(shù)值都是一個(gè)園,擁有無窮多個(gè)點(diǎn)。也就是說,VSWR數(shù)值相同時(shí),天線系統(tǒng)的狀態(tài)有很多種可能性,因此兩根天線之間僅用VSWR數(shù)值來做簡單的互相比較沒有太嚴(yán)格的意義。         
   正因?yàn)閂SWR除了1以外的數(shù)值不值得那么精確地認(rèn)定(除非有特殊需要),所以多數(shù)VSWR表并沒有象電壓表、電阻表那樣認(rèn)真標(biāo)定,甚至很少有VSWR給出它的誤差等級(jí)數(shù)據(jù)。由于表內(nèi)射頻耦合元件的相頻特性和二極管非線性的影響,多數(shù)VSWR表在不同頻率、不同功率下的誤差并不均勻。         
VSWR都=1不等于都是好天線         
   一些國外雜志文章在介紹天線時(shí)經(jīng)常給出VSWR的曲線。有時(shí)會(huì)因此產(chǎn)生一種錯(cuò)覺,只要VSWR=1,總會(huì)是好天線。其實(shí),VSWR=1只能說明發(fā)射機(jī)的能量可以有效地傳輸?shù)教炀系統(tǒng)。但是這些能量是否能有效地輻射到空間,那是另一個(gè)問題。一副按理論長度作制作的偶極天線,和一副長度只有1/20的縮短型天線,只要采取適當(dāng)措施,它們都可能做到VSWR=1,但發(fā)射效果肯定大相徑庭,不能同日而語。做為極端例子,一個(gè)50歐姆的電阻,它的VSWR十分理想地等于1,但是它的發(fā)射效率是0。         
影響天線效果的最重要因素:諧振         
   天線系統(tǒng)和輸出阻抗為50歐的發(fā)信機(jī)的匹配條件是天線系統(tǒng)阻抗為50歐純電阻。要滿足這個(gè)條件,需要做到兩點(diǎn): 
第一,天線電路與工作頻率諧振(否則天線阻抗就不是純電阻); 
第二,選擇適當(dāng)?shù)酿侂婞c(diǎn)。         
   讓我們用弦樂器的弦來加以說明。無論是提琴還是古箏,它的每一根弦在特定的長度和張力下,都會(huì)有自己的固有頻率。當(dāng)弦以固有頻率振動(dòng)時(shí),兩端被固定不能移動(dòng),但振動(dòng)方向的張力最大。中間擺動(dòng)最大,但振動(dòng)張力最松弛。這相當(dāng)于自由諧振的總長度為1/2波長的天線,兩端沒有電流(電流波谷)而電壓幅度最大(電壓波腹),中間電流最大(電流波腹)而相鄰兩點(diǎn)的電壓最。妷翰ü龋。         
   我們要使這根弦發(fā)出最強(qiáng)的聲音,一是所要的聲音只能是弦的固有頻率,二是驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的張力與擺幅之比要恰當(dāng),即驅(qū)動(dòng)源要和弦上驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的阻抗相匹配。具體表現(xiàn)就是拉弦的琴弓或者彈撥的手指要選在弦的適當(dāng)位置上。我們在實(shí)際中不難發(fā)現(xiàn),拉弓或者撥弦位置錯(cuò)誤會(huì)影響弦的發(fā)聲強(qiáng)度,但稍有不當(dāng)還不至于影響太多,而要發(fā)出與琴弦固有頻率不同的聲響卻是十分困難的,此時(shí)弦上各點(diǎn)的振動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜、混亂,即使振動(dòng)起來,各點(diǎn)對(duì)空氣的推動(dòng)不是齊心合力的,發(fā)聲效率很低。         
   天線也是同樣,要使天線發(fā)射的電磁場最強(qiáng),一是發(fā)射頻率必須和天線的固有頻率相同,二是驅(qū)動(dòng)點(diǎn)要選在天線的適當(dāng)位置。如果驅(qū)動(dòng)點(diǎn)不恰當(dāng)而天線與信號(hào)頻率諧振,效果會(huì)略受影響,但是如果天線與信號(hào)頻率不諧振,則發(fā)射效率會(huì)大打折扣。         
   所以,在天線匹配需要做到的兩點(diǎn)中,諧振是最關(guān)鍵的因素。         
   在早期的發(fā)信機(jī),例如本期介紹的71型報(bào)話機(jī)中,天線電路只用串聯(lián)電感、電容的辦法取得與工作頻率的嚴(yán)格諧振,而進(jìn)一步的阻抗配合是由線圈之間的固定耦合確定死的,在不同頻率下未必真正達(dá)到阻抗的嚴(yán)格匹配,但是實(shí)際效果證明只要諧振就足以好好工作了。         
   因此在沒有條件做到VSWR絕對(duì)為1時(shí),業(yè)余電臺(tái)天線最重要的調(diào)整是使整個(gè)天線電路與工作頻率諧振。         
天線的駐波比和天線系統(tǒng)的駐波比         
   天線的VSWR需要在天線的饋電端測量。但天線饋電點(diǎn)常常高懸在空中,我們只能在天線電纜的下端測量VSWR,這樣測量的是包括電纜的整個(gè)天線系統(tǒng)的VSWR。當(dāng)天線本身的阻抗確實(shí)為50歐姆純電阻、電纜的特性阻抗也確實(shí)是50歐姆時(shí),測出的結(jié)果是正確的。         
   當(dāng)天線阻抗不是50歐姆時(shí)而電纜為50歐姆時(shí),測出的VSWR值會(huì)嚴(yán)重受到天線長度的影響,只有當(dāng)電纜的電器長度正好為波長的整倍數(shù)時(shí)、而且電纜損耗可以忽略不計(jì)時(shí),電纜下端呈現(xiàn)的阻抗正好和天線的阻抗完全一樣。但即便電纜長度是整倍波長,但電纜有損耗,例如電纜較細(xì)、電纜的電氣長度達(dá)到波長的幾十倍以上,那么電纜下端測出的VSWR還是會(huì)比天線的實(shí)際VSWR低。         
   所以,測量VSWR時(shí),尤其在UHF以上頻段,不要忽略電纜的影響。         
不對(duì)稱天線         
   我們知道偶極天線每臂電氣長度應(yīng)為1/4波長。那么如果兩臂長度不同,它的諧振波長如何計(jì)算?是否會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)諧振點(diǎn)?         
   如果想清了上述琴弦的例子,答案就清楚了。系統(tǒng)總長度不足3/4波長的偶極天線(或者以地球、地網(wǎng)為鏡象的單臂天線)只有一個(gè)諧振頻率,取決于兩臂的總長度。兩臂對(duì)稱,相當(dāng)于在阻抗最低點(diǎn)加以驅(qū)動(dòng),得到的是最低的阻抗。兩臂長度不等,相當(dāng)于把弓子偏近琴馬拉弦,費(fèi)的力不同,驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的阻抗比較高一些,但是諧振頻率仍舊是一個(gè),由兩臂的總長度決定。如果偏到極端,一臂加長到1/2波長而另一臂縮短到0,驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗增大到幾乎無窮大,則成為端饋天線,稱為無線電發(fā)展早期用在汽艇上的齊柏林天線和現(xiàn)代的1/2波長R7000垂直天線,當(dāng)然這時(shí)必須增加必要的匹配電路才能連接到50歐姆的低阻抗發(fā)射機(jī)上。         
   偶極天線兩臂不對(duì)稱,或者兩臂周圍導(dǎo)電物體的影響不對(duì)稱,會(huì)使諧振時(shí)的阻抗變高。但只要總電氣長度保持1/2波長,不對(duì)稱不是十分嚴(yán)重,那么雖然特性阻抗會(huì)變高,一定程度上影響VSWR,但是實(shí)際發(fā)射效果還不至于有十分明顯的惡化。         
QRPer不必苛求VSWR         
   當(dāng)VSWR過高時(shí),主要是天線系統(tǒng)不諧振時(shí),因而阻抗存在很大電抗分量時(shí),發(fā)射機(jī)末級(jí)器件可能需要承受較大的瞬間過電壓。早期技術(shù)不很成熟時(shí),高VSWR容易造成射頻末級(jí)功率器件的損壞。因此,將VSWR控制在較低的數(shù)值,例如3以內(nèi),是必要的。         
   現(xiàn)在有些設(shè)備具有比較完備的高VSWR保護(hù),當(dāng)在線測量到的VSWR過高時(shí),會(huì)自動(dòng)降低驅(qū)動(dòng)功率,所以燒末級(jí)的危險(xiǎn)比20年以前降低了很多。但是仍然不要大意。         
   不過對(duì)于QRP玩家講來,末級(jí)功率有時(shí)小到幾乎沒有燒末級(jí)的可能性。移動(dòng)運(yùn)用時(shí)要將便攜的臨時(shí)天線調(diào)到VSWR=1卻因?yàn)榄h(huán)境的變幻而要絞盡腦汁。這時(shí)不必太喪氣。1988-1989年筆者為BY1PK試驗(yàn)4W的CW/QRP,使用長度不足1.5米的三樓窗簾鐵絲和長度為1.5米左右的塑料線做饋線,用串并電容的辦法調(diào)到天線電流最大,測得VSWR為無窮大,卻也聯(lián)到了JA、VK、U9、OH等電臺(tái)。后來做了一個(gè)小天調(diào),把VSWR調(diào)到1,但對(duì)比試驗(yàn)中遠(yuǎn)方友臺(tái)報(bào)告說,VSWR的極大變化并沒有給信號(hào)帶來什么改進(jìn),好像信號(hào)還變?nèi)趿诵,可能本來就微弱的信?hào)被天調(diào)的損耗又吃掉了一些吧。         
   總之,VSWR道理多多。既然有了業(yè)余電臺(tái),總是免不了和VSWR打交道,不妨多觀察、積累、交流各自的心得吧。

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樓主強(qiáng)呀,牛貼,耐著性子看完了全部,還是有些地方?jīng)]明白, 
原諒本人學(xué)習(xí)粗知大葉,一跑到這裏就覺得心慌, 
很多東西不懂,還是要努力學(xué)點(diǎn)東西了

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雖然過了大半年,但是LZ的文章確實(shí)好!LZ是駐波猛人~!

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這幾天正為駐波太高爾發(fā)愁,看了lz的文章受益非淺,謝謝。

網(wǎng)友回復(fù):

好文章  通俗的感性認(rèn)識(shí)  微波書上的東西都太抽象不好理解了  多謝樓主~~~

網(wǎng)友回復(fù):

本人認(rèn)為只要掌握反射系數(shù)后,其它問題都迎刃而解了。

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VSWR=1只能說明發(fā)射機(jī)的能量可以有效地傳輸?shù)教炀系統(tǒng)。但是這些能量是否能有效地輻射到空間,那是另一個(gè)問題。 
這是問題關(guān)鍵所在 
看了lz介紹受益非淺, 
多謝多謝啊

網(wǎng)友回復(fù):

真是好貼,我仔細(xì)的看了一上午,受益匪淺,謝謝樓主!

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jingdian a ,shoucang le

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