天線駐波比的幾個實用問題

2017-08-11 by:CAE仿真在線來源:互聯網

本文不打算重復很多無線電技術書籍中關于電壓駐波比的理論敘述,只是想從感性認識的層面談幾個實用問題。

電壓駐波比(VSWR)是射頻技術中最常用的參數,用來衡量部件之間的匹配是否良好。當業余無線電愛好者進行聯絡時,當然首先會想到測量一下天線系統的駐波比是否接近1:1,如果接近1:1,當然好。常常聽到這樣的問題:但如果不能達到1,會怎樣呢?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上沒有駐波表?

VSWR及標稱阻抗

發射機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。如果發射機的阻抗不同,要求天線的阻抗也不同。在電子管時代,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,因此發射機的輸出阻抗多為幾百歐姆。而現代商品固態無線電通信機的天線標稱阻抗則多為50歐姆,因此商品VSWR表也是按50歐姆設計標度的。

如果你擁有一臺輸出阻抗為600歐姆的老電臺,那就大可不必費心血用50歐姆的VSWR計來修理你的天線,因為那樣反而幫倒忙。只要設法調到你的天線電流最大就可以了。

VSWR不是1時,比較VSWR的值沒有意義

正因為VSWR除了1以外的數值不值得那么精確地認定(除非有特殊需要),所以多數VSWR表并沒有象電壓表、電阻表那樣認真標定,甚至很少有VSWR給出它的誤差等級數據。由于表內射頻耦合元件的相頻特性和二極管非線性的影響,多數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

影響天線效果的最重要因素:諧振

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,都會有自己的固有頻率。當弦以固有頻率振動時,兩端被固定不能移動,但振動方向的張力最大。中間擺動最大,但振動張力最松弛。這相當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)而相鄰兩點的電壓最小(電壓波谷)。

我們要使這根弦發出最強的聲音,一是所要的聲音只能是弦的固有頻率,二是驅動點的張力與擺幅之比要恰當,即驅動源要和弦上驅動點的阻抗相匹配。具體表現就是拉弦的琴弓或者彈撥的手指要選在弦的適當位置上。我們在實際中不難發現,拉弓或者撥弦位置錯誤會影響弦的發聲強度,但稍有不當還不至于影響太多,而要發出與琴弦固有頻率不同的聲響卻是十分困難的,此時弦上各點的振動狀態十分復雜、混亂,即使振動起來,各點對空氣的推動不是齊心合力的,發聲效率很低。

天線也是同樣,要使天線發射的電磁場最強,一是發射頻率必須和天線的固有頻率相同,二是驅動點要選在天線的適當位置。如果驅動點不恰當而天線與信號頻率諧振,效果會略受影響,但是如果天線與信號頻率不諧振,則發射效率會大打折扣。

所以,在天線匹配需要做到的兩點中,諧振是最關鍵的因素。

在早期的發信機,例如介紹的71型報話機中,天線電路只用串聯電感、電容的辦法取得與工作頻率的嚴格諧振,而進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到阻抗的嚴格匹配,但是實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絕對為1時,業余電臺天線最重要的調整是使整個天線電路與工作頻率諧振。

天線的駐波比和天線系統的駐波比

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天線系統的VSWR。當天線本身的阻抗確實為50歐姆純電阻、電纜的特性阻抗也確實是50歐姆時,測出的結果是正確的。

當天線阻抗不是50歐姆時而電纜為50歐姆時,測出的VSWR值會嚴重受到天線長度的影響,只有當電纜的電器長度正好為波長的整倍數時、而且電纜損耗可以忽略不計時,電纜下端呈現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、電纜的電氣長度達到波長的幾十倍以上,那么電纜下端測出的VSWR還是會比天線的實際VSWR低。

所以,測量VSWR時,尤其在UHF以上頻段,不要忽略電纜的影響。

不對稱天線

我們知道偶極天線每臂電氣長度應為1/4波長。那么如果兩臂長度不同,它的諧振波長如何計算?是否會出現兩個諧振點?

如果想清了上述琴弦的例子,答案就清楚了。系統總長度不足3/4波長的偶極天線(或者以地球、地網為鏡象的單臂天線)只有一個諧振頻率,取決于兩臂的總長度。兩臂對稱,相當于在阻抗最低點加以驅動,得到的是最低的阻抗。兩臂長度不等,相當于把弓子偏近琴馬拉弦,費的力不同,驅動點的阻抗比較高一些,但是諧振頻率仍舊是一個,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,驅動點阻抗增大到幾乎無窮大,則成為端饋天線,稱為無線電發展早期用在汽艇上的齊柏林天線和現代的1/2波長R7000垂直天線,當然這時必須增加必要的匹配電路才能連接到50歐姆的低阻抗發射機上。

偶極天線兩臂不對稱,或者兩臂周圍導電物體的影響不對稱,會使諧振時的阻抗變高。但只要總電氣長度保持1/2波長,不對稱不是十分嚴重,那么雖然特性阻抗會變高,一定程度上影響VSWR,但是實際發射效果還不至于有十分明顯的惡化。

QRPer不必苛求VSWR

當VSWR過高時,主要是天線系統不諧振時,因而阻抗存在很大電抗分量時,發射機末級器件可能需要承受較大的瞬間過電壓。早期技術不很成熟時,高VSWR容易造成射頻末級功率器件的損壞。因此,將VSWR控制在較低的數值,例如3以內,是必要的。

現在有些設備具有比較完備的高VSWR保護,當在線測量到的VSWR過高時,會自動降低驅動功率,所以燒末級的危險比20年以前降低了很多。但是仍然不要大意。

不過對于QRP玩家講來,末級功率有時小到幾乎沒有燒末級的可能性。移動運用時要將便攜的臨時天線調到VSWR=1卻因為環境的變幻而要絞盡腦汁。這時不必太喪氣。1988-1989年筆者為BY1PK試驗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到天線電流最大,測得VSWR為無窮大,卻也聯到了JA、VK、U9、OH等電臺。后來做了一個小天調,把VSWR調到1,但對比試驗中遠方友臺報告說,VSWR的極大變化并沒有給信號帶來什么改進,好像信號還變弱了些,可能本來就微弱的信號被天調的損耗又吃掉了一些吧。

總之,VSWR道理多多。既然有了業余電臺,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。

天線系統和輸出阻抗為50歐的發信機的匹配條件是天線系統阻抗為50歐純電阻。要滿足這個條件,需要做到兩點: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,選擇適當的饋電點。一些國外雜志文章在介紹天線時經常給出VSWR的曲線。有時會因此產生一種錯覺,只要VSWR=1,總會是好天線。其實,VSWR=1只能說明發射機的能量可以有效地傳輸到天線系統。但是這些能量是否能有效地輻射到空間,那是另一個問題。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,只要采取適當措施,它們都可能做到VSWR=1,但發射效果肯定大相徑庭,不能同日而語。做為極端例子,一個50歐姆的電阻,它的VSWR十分理想地等于1,但是它的發射效率是0。而如果VSWR不等于1,譬如說等于4,那么可能性會有很多:天線感性失諧,天線容性失諧,天線諧振但是饋電點不對,等等。在阻抗園圖上,每一個VSWR 數值都是一個園,擁有無窮多個點。也就是說,VSWR數值相同時,天線系統的狀態有很多種可能性,因此兩根天線之間僅用VSWR數值來做簡單的互相比較沒有太嚴格的意義。天線VSWR=1說明天線系統和發信機滿足匹配條件,發信機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。

開放分享：優質有限元技術文章,助你自學成才