簡介
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 介質傳導到乙介質,會由於介質不同,電磁波的 能量會有一部分被反射,從而在甲區域形成“行 駐波”。
電壓駐波比,指的就是行駐波的電壓 波腹值與電壓 波節值之比,此值可以通過反射係數的模值計算:
VSWR=(1+反射係數模值)/(1-反射係數模值)。
而 入射波 能量與 反射波能量的比值為 1:(反射係數模的平方)
從 能量傳輸的角度考慮,理想的VSWR為 1:1 ,即此時為行波傳輸狀態,在傳輸線中,稱為阻抗匹配;最差時VSWR無窮大,此時反射係數模為1,為純 駐波狀態,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。
定義
VSWR (電壓駐波比,有時也稱作垂直駐波比),用來衡量無線信號通過功率源、傳輸線、最終進入負載(例如,功率放大器輸出通過傳輸線,最終到達天線)的有效傳輸功率。
對於一個理想系統,傳輸能量為100%,需要源阻抗、傳輸線及其它連線器的特徵阻抗、負載阻抗之間精確匹配。由於理想的傳輸過程不存在干擾,信號的交流電壓在兩端保持相同。
實際系統中,由於阻抗失配將會導致部分功率向信號源方向反射(如同一個回波)。反射引起相消干擾,沿著傳輸線在不同時間、距離產生電壓波峰、波谷。
VSWR用於度量電壓的變化,是傳輸線上最高電壓與最低電壓之比。由於理想系統中電壓保持不變,所以,對應的VSWR是1:1。產生反射時,電壓發生變化,VSWR增大 -- 例如:1.2:1或2:1。
計算
VSWR是傳輸線上的電壓比:
VSWR = |V(max)|/|V(min)|
其中,V(max)是傳輸線上信號電壓的最大值,V(min)是傳輸線上信號電壓的最小值。
也可以利用阻抗計算:
VSWR = (1+Γ)/(1-Γ)
其中,Γ是靠近負載端的電壓反射係數,由負載阻抗(ZL)和源阻抗(Zo)確定:
Γ = (ZL-Zo)/(ZL+Zo)
如果負載與傳輸線完全匹配,Γ = 0,VSWR = 1:1。
具體描述
電壓駐波比(VSWR)
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。當業餘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?為什麼大小81這類老式的軍用電台上沒有駐波表?
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。
如果你擁有一台輸出阻抗為600 歐姆的老電台,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表並沒有象電壓表、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。由於表內射頻耦合元件的相頻特性和二極體非線性的影響,多數VSWR表在不同頻率、不同 功率下的誤差並不均勻。
VSWR都=1不等於都是好天線
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 張力最鬆弛。這相當於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,但稍有不當還不至於影響太多,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複雜、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,業餘電台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,取決於兩臂的總長度。兩臂對稱,相當於在 阻抗最低點加以驅動,得到的是最低的阻抗。兩臂長度不等,相當於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線到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於有十分明顯的惡化。
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,當線上測量到的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。
不過對於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米左右的塑膠線做饋線,用串並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等電台。後來做了一個小天調,把VSWR調到1,但對比試驗中遠方友台報告說,VSWR的極大變化並沒有給信號帶來什麼改進,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。既然有了業餘電台,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
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。 一些國外雜誌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隻能說明發射機的 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。一副按理論長度作製作的偶極天線,和一副長度只有1/20的縮短型天線,只要採取適當措施,它們都可能做到VSWR=1,但發射效果肯定大相逕庭,不能同日而語。做為極端例子,一個50 歐姆的電阻,它的VSWR十分理想地等於1,但是它的發射效率是0。
而如果VSWR不等於1,譬如說等於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。