射頻回波損耗、反射系數(shù)、電壓駐波比、S參數(shù)的含義與關(guān)系
發(fā)布時間:2019-03-04 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】以二端口網(wǎng)絡(luò)為例,如單根傳輸線,共有四個S參數(shù):S11,S12,S21,S22,對于互易網(wǎng)絡(luò)有S12=S21,對于對稱網(wǎng)絡(luò)有S11=S22,對于無耗網(wǎng)絡(luò),有S11*S11+S21*S21=1,即網(wǎng)絡(luò)不消耗任何能量,從端口1輸入的能量不是被反射回端口1就是傳輸?shù)蕉丝?上了。
在高速電路設(shè)計中用到的微帶線或帶狀線,都有參考平面,為不對稱結(jié)構(gòu)(但平行雙導(dǎo)線就是對稱結(jié)構(gòu)),所以S11不等于S22,但滿足互易條件,總是有S12=S21。假設(shè)Port1為信號輸入端口,Port2為信號輸出端口,則我們關(guān)心的S參數(shù)有兩個:S11和S21,S11表示回波損耗,也就是有多少能量被反射回源端(Port1)了,這個值越小越好,一般建議S11<0.1,即-20dB,S21表示插入損耗,也就是有多少能量被傳輸?shù)侥康亩耍≒ort2)了,這個值越大越好,理想值是1,即0dB,越大傳輸?shù)男试礁撸话憬ㄗhS21>0.7,即-3dB,如果網(wǎng)絡(luò)是無耗的,那么只要Port1上的反射很小,就可以滿足S21>0.7的要求,但通常的傳輸線是有耗的,尤其在GHz以上,損耗很顯著,即使在Port1上沒有反射,經(jīng)過長距離的傳輸線后,S21的值就會變得很小,表示能量在傳輸過程中還沒到達(dá)目的地,就已經(jīng)消耗在路上了。
對于由2根或以上的傳輸線組成的網(wǎng)絡(luò),還會有傳輸線間的互參數(shù),可以理解為近端串?dāng)_系數(shù)、遠(yuǎn)端串?dāng)_系統(tǒng),注意在奇模激勵和偶模激勵下的S參數(shù)值不同。
需要說明的是,S參數(shù)表示的是全頻段的信息,由于傳輸線的帶寬限制,一般在高頻的衰減比較大,S參數(shù)的指標(biāo)只要在由信號的邊緣速率表示的EMI發(fā)射帶寬范圍內(nèi)滿足要求就可以了。
回波損耗、反射系數(shù)、電壓駐波比,、S11這幾個參數(shù)在射頻微波應(yīng)用中經(jīng)常會碰到,他們各自的含義如下:
回波損耗(Return Loss):入射功率/反射功率, 為dB數(shù)值
反射系數(shù)(Г):反射電壓/入射電壓, 為標(biāo)量
電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ration): 波腹電壓/波節(jié)電壓
S參數(shù):S12為反向傳輸系數(shù),也就是隔離。S21為正向傳輸系數(shù),也就是增益。S11為輸入反射系數(shù),也就是輸入回波損耗,S22為輸出反射系數(shù),也就是輸出回波損耗。
四者的關(guān)系:
VSWR=(1+Г)/(1-Г) (1)
S11=20lg(Г) (2)
RL=-S11 (3)
以上各參數(shù)的定義與測量都有一個前提,就是其它各端口都要匹配。這些參數(shù)的共同點:他們都是描述阻抗匹配好壞程度的參數(shù)。其中,S11實際上就是反射系數(shù)Г,只不過它特指一個網(wǎng)絡(luò)1號端口的反射系數(shù)。反射系數(shù)描述的是入射電壓和反射電壓之間的比值,而回波損耗是從功率的角度來看待問題。而電壓駐波的原始定義與傳輸線有關(guān),將兩個網(wǎng)絡(luò)連接在一起,雖然我們能計算出連接之后的電壓駐波比的值,但實際上如果這里沒有傳輸線,根本不會存在駐波。我們實際上可以認(rèn)為電壓駐波比實際上是反射系數(shù)的另一種表達(dá)方式,至于用哪一個參數(shù)來進(jìn)行描述,取決于怎樣方便,以及習(xí)慣如何。
回波損耗與VSWR之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,讀者可以采用上面的式子1和2來手動計算。
一、反射系數(shù)/行波系數(shù)/駐波比/回波損耗
1、定義
天饋線匹配:阻抗匹配的優(yōu)劣一般用四個參數(shù)來衡量,即反射系數(shù),行波系數(shù),駐波比和回波損耗,四個參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系,使用那一個均出于習(xí)慣。通常用的較多的是駐波比和回波損耗。
比: 它是行波系數(shù)的倒數(shù),其值在1到無窮大之間。駐波比為1,表示完全匹配;駐波比為無窮大表示全反射,完全失配。在移動通信系統(tǒng)中,一般要求駐波比小于1.5。
回波損耗: 它是反射系數(shù)絕對值的倒數(shù),以分貝值表示?;夭〒p耗的值在0dB的到無窮大之間,回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射,無窮大表示完全匹配。在移動通信系統(tǒng)中,一般要求回波損耗大于14dB。
2、表達(dá)公式
駐波比:
S=電壓最大值/電壓最小值
=Umax/Umin
行波系數(shù):
K=電壓最小值/電壓最大值=Umin/Umax
=(入射波振幅-反射波振幅)/(反射波振幅+入射波振幅)
反射系數(shù):
P=反射波振幅/入射波振幅
=(傳輸線特性阻抗-負(fù)載阻抗)/(傳輸線特性阻抗+負(fù)載阻抗)
即P=︱(Zb-Za)/(Zb+Za)︱ 取絕對值
回波損耗:
L=1/P=︱(Zb+Za)/(Zb-Za)︱
駐波比與反射系數(shù):
S=(1+P)/(1-P)
二、電壓駐波比(VSWR)
1、VSWR
VSWR翻譯為電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio),一般簡稱駐波比。 電磁波從甲介質(zhì)傳導(dǎo)到乙介質(zhì),會由于介質(zhì)不同,電磁波的能量會有一部分被反射,從而在甲區(qū)域形成“行駐波”。 電壓駐波比,指的就是行駐波的電壓峰值與電壓谷值之比,此值可以通過反射系數(shù)的模值計算: VSWR=(1+反射系數(shù)模值)/(1-反射系數(shù)模值)。 而入射波能量與反射波能量的比值為 1:(反射系數(shù)模的平方)
從能量傳輸?shù)慕嵌瓤紤],理想的VSWR為 1:1 ,即此時為行波傳速狀態(tài),在傳輸線中,稱為阻抗匹配;最差時VSWR無窮大,此時反射系數(shù)模為1,為純駐波狀態(tài),稱為全反射,沒有能量傳輸。
由上可知,駐波比越大,反射功率越高,傳輸效率越低。
2、電壓駐波比(VSWR)
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,當(dāng)然首先會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?
3、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)計標(biāo)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(shè)法調(diào)到你的天線電流最大就可以了。
4、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(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
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(dāng)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(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)而相鄰兩點的電壓最小(電壓波谷)。
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)動點的張力與擺幅之比要恰當(dāng),即驅(qū)動源要和弦上驅(qū)動點的阻抗相匹配。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。我們在實際中不難發(fā)現(xiàn),拉弓或者撥弦位置錯誤會影響弦的發(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,此時弦上各點的振動狀態(tài)十分復(fù)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(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)動點要選在天線的適當(dāng)位置。如果驅(qū)動點不恰當(dāng)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(fā)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(guān)鍵的因素。
在早期的發(fā)信機(jī),例如本期介紹的71型報話機(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(yè)余電臺天線最重要的調(diào)整是使整個天線電路與工作頻率諧振。
5、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(tǒng)的VSWR。當(dāng)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(jié)果是正確的。
當(dāng)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(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、而且電纜損耗可以忽略不計時,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。
6、不對稱天線
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算?是否會出現(xiàn)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(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)只有一個諧振頻率,取決于兩臂的總長度。兩臂對稱,相當(dāng)于在阻抗最低點加以驅(qū)動,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,費的力不同,驅(qū)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(qū)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(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。
偶極天線兩臂不對稱,或者兩臂周圍導(dǎo)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(yán)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(fā)射效果還不至于有十分明顯的惡化。
7、QRPer不必苛求VSWR
當(dāng)VSWR過高時,主要是天線系統(tǒng)不諧振時,因而阻抗存在很大電抗分量時,發(fā)射機(jī)末級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,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(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,會自動降低驅(qū)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(diào)到VSWR=1卻因為環(huán)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(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。后來做了一個小天調(diào),把VSWR調(diào)到 1,但對比試驗中遠(yuǎn)方友臺報告說,VSWR的極大變化并沒有給信號帶來什么改進(jìn),好像信號還變?nèi)趿诵赡鼙緛砭臀⑷醯男盘柋惶煺{(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,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。
三、天線系統(tǒng)和輸出阻抗
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(dāng)?shù)酿侂婞c。
一些國外雜志文章在介紹天線時經(jīng)常給出VSWR的曲線。有時會因此產(chǎn)生一種錯覺,只要VSWR=1,總會是好天線。其實,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。
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(shù)值都是一個園,擁有無窮多個點。也就是說,VSWR數(shù)值相同時,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。
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。
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