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什么是VSWR電壓駐波比?做到多少才算合格?
瀏覽次數:170     發布時間:2019-04-13    

來源:微波仿真論壇

 

微波射頻工程師在與天線打交道的時候少不了要處理駐波比,而提起駐波比,我們平常說的一般都是電壓駐波比(VSWR)。什么是電壓駐波比,而這個參數又是怎么計算出來的呢?我們今天試著不深入了解研究,而是簡單地了解一下它在業余無線電中的含義。

 

任何包含傳輸線的無線電系統中,無線電信號的發射者,傳遞信號的傳輸線以及無線電信號的負載都具有特征阻抗。平常用于業余無線電信號的發射和接收系統多具有50歐姆的特征阻抗,而在有線電視系統中的特征阻抗多為75歐姆。當這個系統中所有設備的特征阻抗都相同時,問題不大。但若是發射機和傳輸線的特征阻抗都為50歐而負載不為50歐姆時,就會產生一些問題。


我們可以簡單地認為當負載的特征阻抗與傳輸線和發射機不一致時,發射機所發出的功率不能夠完全地被負載接收。必然有一些功率要沿著傳輸線返回到發射機。此時,在傳輸線中的正向波和反向波的電壓電流將在不同的點根據相位關系疊加并相加減,從而在傳輸線上產生駐波。如果你找一根繩兒,拴住一段并上下搖晃另一端,你就能夠在繩上看到振蕩的最小和最大點。它和傳輸線上的駐波關系是類似的。

VSWR是衡量傳輸線上駐波情況的一個定義。它定義為在無損耗的傳輸線上,電壓最大值點的電壓和最小值點電壓的比值。雖然在傳輸線上電流也滿足同樣的關系,但測量電壓總比測量電流要來得簡單。如果天線的阻抗匹配和發射機以及饋線的阻抗是匹配的,那么測量到的VSWR應該是1:1也即1。而當阻抗不能完全匹配的時候,VSWR可能為2:1甚至5:1以上。

 

為什么我們平常說駐波比會影響天饋系統呢?其主要因素有以下幾點:

 

1:發射機的功率放大器部分可能會損壞。由于天饋系統不匹配,返回到發射機的功率可能是功放末級晶體管難以承受的。強行發射有可能會燒壞機器,現在的機器大部分都有自動保護,但仍不可掉以輕心——另外,保護的時候機器自動降低功率,使得發射的效果大打折扣。

 

2:駐點的高電壓和電流有可能會損壞饋線。雖然這是一種極為稀有的情況,但如果發射機沒有保護,仍然以大功率發射電波,那么饋線的包裹材料可能會被損壞。

 

3:反射波可能會帶來失真。如果收發信機是全雙工的機器,自己的信號通過較長的饋線反射回來可能會干擾接收機。

 

當然,作為業余無線電的設備來說,最大的問題仍然是1中所提到的問題。那么,平常我們按照駐波比來調整天線,究竟和發射效率有什么關系呢?

 

如果你認清了駐波比的本質,你就會發現駐波比實際上形容的是天線系統和發射機系統之間的阻抗匹配關系,而根據天線結構的不同,并不是所有的優秀天線的特征阻抗都是50歐姆。八木天線阻抗可以為28歐姆,而其他的一些天線阻抗則可能為幾百歐姆。如果直接接入發射機的話,其VSWR會非常高,但你不能稱其為“低效率天線”,而應使用適當的阻抗匹配方式將其妥善匹配。而同樣的,一個50歐姆的無感電阻接在饋線的末端能夠實現1:1的完美匹配,但其輻射效率為0。

 

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?


 
 
一、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


 
二、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。


 
三、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。


 
四、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。


 
五、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。  

 


注:駐波比全稱為電壓駐波比,又名VSWR和SWR,為英文Voltage Standing Wave Ratio的簡寫。指駐波波腹電壓與波谷電壓幅度之比,又稱為駐波系數、駐波比。駐波比等于1時,表示饋線和天線的阻抗完全匹配,此時高頻能量全部被天線輻射出去,沒有能量的反射損耗;駐波比為無窮大時,表示全反射,能量完全沒有輻射出去。


 
駐波比就是一個數值,用來表示天線和電波發射臺是否匹配。如果 SWR 的值等于1, 則表示發射傳輸給天線的電波沒有任何反射,全部發射出去,這是最理想的情況。如果SWR 值大于1, 則表示有一部分電波被反射回來,最終變成熱量,使得饋線升溫。被反射的電波在發射臺輸出口也可產生相當高的電壓,有可能損壞發射臺。

 

天線駐波比的意義表示天饋線與基站(收發信機)匹配程度的指標。


駐波比的定義:


VSWR=Umax/Umin


Umax——饋線上波腹電壓;


Umin——饋線上波谷電壓。


駐波比的產生,是由于入射波能量傳輸到天線輸入端B未被全部吸收(輻射)、產生反射波,迭加而形成的。


VSWR越大,反射越大,匹配越差。


那么,駐波比差,到底有哪些壞處?在工程上可以接受的駐波比是多少?一個適當的駐波比指標是要在損失能量的數量與制造成本之間進行折中權衡的。

⑴ VSWR>1,說明輸進天線的功率有一部分被反射回來,從而降低了天線的輻射功率;


⑵ 增大了饋線的損耗。7/8"電纜損耗4dB/100m,是在VSWR=1(全匹配)情況下測的;有了反射功率,就增大了能量損耗,從而降低了饋線向天線的輸入功率;


⑶ 在饋線輸入端A,失配嚴重時,發射機T的輸出功率達不到設計額定值。但是,現代發射機輸出功率允許在一定失配情況下如(VSWR<1.7或2.0)達到額定功率。


駐波比與反射功率的關系如下。


  可見,不一定追求1.1以下的駐波比,一般1.5一下也足夠了,96%的都發射出去了。


駐波比  反射率
  1.0  0.00%
  1.1  0.23%
  1.2  0.83%
  1.3  1.70%
  1.5  4.00%
  1.7  6.72%
  1.8  8.16%
  2.0  11.11%
  2.5  18.37%
  3.0  25.00%
  4.0  36.00%
  5.0  44.44%
  7.0  56.25%
  10  66.94%
  15  76.56%
  20  81.86%

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,例如本期介紹的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。


駐波比(VSWR)用來檢測天饋線系統、射頻接頭以及所有的連接到基站的射頻設備的工作狀態。

VSWR過高會導致掉話、高誤碼率,而且由此引入的發射/接受功率的衰減會導致小區覆蓋半徑縮小。

 

只有負載阻抗與信號源阻抗完全匹配,才能最大化地把信號從信號源傳送到負載。對于基站系統,信號源就是發射機,負載就是天饋線子系統,天饋線子系統包括天線、饋線、射頻連接頭以及避雷器等附屬設備。如果負載和信號源不能做到完全匹配,部分信號就會反射回信號源,這是我們所不希望的,這時就會產生前向波和反向波,這兩個信號組合在一起就形成了駐波。駐波比(VSWR)是指駐波的最大電平和最小電平的比值,它的大小從1:1(完全匹配)到∞。


 圖 由于阻抗不完全匹配導致的反向波的產生

 

 

我們可以通過反射系數Γ或者回波損耗RL計算出VSWR,在這里我們列出了反射系數Γ 、回波損耗RL以及VSWR的計算公式:


 


其中,
 
Z為輸出阻抗
Z0為輸入阻抗
Pfoward為前向功率
Preflected為反向功率

 

可接受的VSWR范圍

 

由于我們無法做到100%的負載和信號源阻抗匹配,總會有部分信號不可避免地被天線反射回來,所以需要確定一個VSWR范圍作為衡量可接受的VSWR的標準。通常我們把1.13:1 ? 1.38:1 作為VSWR衡量標準。另外,回波損耗也可以作為一種衡量標準,前向功率與反向功率的比值就是回波損耗,如果已知40dBm的前向功率和20dBm的反向功率,那么我們可以計算出回波損耗是20dB,如果已知基站的輸出功率是20W、回波損耗是16dB,那么我們可以計算出反射功率是0.5W。通常我們把16 ?24dB作為回波損耗的衡量標準。

 

當發射機到天線的發射通路上出現嚴重故障,會產生很低的回波損耗,比如射頻接頭松動、天線故障、饋線損壞、避雷器擊穿以及濾波器/耦合器損壞,等等。這種嚴重的VSWR故障將會導致掉話、誤碼率升高以及小區覆蓋半徑變小等故障。

 

從功率的角度看駐波比

 

若以功率的觀點來看,駐波比可以表示為:SWR = (√Po + √Pr)/(√Po - √Pr)


Po:進入天線系統的功率


Pr:從天線系統反射回來的功率


經過運算SWR 與 Pr/Po (反射功率百分比)的關系如下:Pr/Po = [(SWR-1)/(SWR+1)]^2
其實駐波比測試儀基本上就是功率表,它可以量測輸入功率及反射功率


什么叫駐波?


兩列振幅相同的相干波在同一直線上沿相反方向傳播時互相疊加而成的波,稱為駐波。

特點:波谷和波峰保持不動,波形不向前傳播,僅在平衡位置振動;波形在空間不移動。

一般在傳輸線上的電磁波由行波(向前傳輸的波)和反射波構成,駐波比就是反映波停留的狀態,如駐波比越大,波就越停留在原地,如果駐波比無窮大,就代表波是停留在原地.相反地,駐波比的倒數可以定義為行波系數,它表示波行進的狀態,行波系數越大,代表波越向前行進。


什么叫匹配?

移動通信系統中,發射機、天線、饋線、射頻連接頭以及避雷器等附屬設備需要用電纜和接插件把這些設備部件連接起來,只有正確連接,方可保證設備運轉正常。在一般情況下,人們往往都更注重天線的方向、仰角、極化、頻率的選取等步驟,安裝調試步驟中往往忽視設備之間的連接,這些設備部件連接時從始至終都應遵循“匹配”這一條原則。

 

“匹配”,從功率的角度出發意味著最大的輸出功率,即在供電電路中使負載阻抗等于電源內阻抗的共軛值(電阻相等,電抗大小相等,符號相反),稱作“匹配”。匹配的目的在于得到最大的輸出功率。 從傳輸線的角度出發意味著無損耗傳輸,即在應用于傳輸線時,使負載阻抗等于傳輸線的特性阻抗,稱作“匹配”。匹配的目的是消除負載引起的反射,避免發生駐波,使負載獲取最大功率。

 

在移動通信系統中,諸多的地方需要匹配。接收天線必須同發射天線有相同的極化,且旋向相同,以實現極化匹配接收全部能量。凡是饋線連接的各個部位及各部件間的連接都需要達到匹配。在移動通信系統中只要有不匹配的地方出現,使信號在部件中間、饋線間產生反射,從而使信號質量下降、噪聲增加。因此對安裝調試使用者而言,需要規規矩矩的做好每一步,確保系統匹配。

 


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