天線有眾多重要參數,我們之前已經介紹了方向圖、極化、增益等,本期我們將圍繞天線的另一個參數駐波比展開,它不是一種固定參數,無論是在使用前還是使用中,這個參數的變化關乎著天線的實際表現,我們進一步對天線駐波比逐一詳解。
天線駐波比的定義
天線駐波比,縮寫為VSWR和SWR。天線的電壓駐波比是把天線作為無耗傳輸線的負載時,在沿傳輸線產生的電壓駐波圖形上,其最大值與最小值之比。
駐波比的產生,是由于入射波能量傳輸到天線輸入端并未被全部吸收(輻射)產生的反射波迭加而形成的。VSWR越大,反射越大,匹配越差。在移動通信系統中,一般要求駐波比小于1.5。
我們可以直接看上圖。駐波比是一個數值,用來表示天線和電波發射機是否匹配。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,有可能損壞發射機。天線駐波比的意義是天饋線與發射機匹配程度的指標。不一定追求1.1以下的駐波比,一般1.5以下也夠了。
天線駐波比的公式
SWR=R/r=(1+K)/(1-K)反射系數K=(R-r)/(R+r)(K為負值時表明相位相反)公式中R和r分別是輸出阻抗和輸入阻抗。當兩個阻抗數值一樣時,即達到完全匹配,反射系數K等于0,駐波比為1。這是一種理想的狀況,實際上總存在反射,所以駐波比總是大于1的。 除了這個公式外,下面這個也可以定義駐波比:VSWR=Vmax / Vmin饋線上波腹電壓/饋線上波節電壓,是指駐波最大電平和最小電平的比值,大小從1:1(完全匹配)到無限。
天線駐波比的測試
作為天線的一個參數,當然需要了解如何進行測量,在這里介紹一種較為簡易的辦法,適合在一般條件下進行測試。
要測量駐波比需要一臺掃頻儀,接法如圖1,先將饋線的終端(近天線系統一端)短路,此時由于掃頻儀輸出的信號在饋線的終端形成全反射,觀察其全反射波形如圖2曲線的最大幅度為a,然后將天線接入饋線的終端,此時掃頻儀上在工作頻率范圍內觀察到的最大幅度為b如圖3,先求出反射系數P=b/a,然后可用式S=1+P/1-P求出駐波比,式中的S表示駐波比。測試出來的駐波比,會有一定的范圍,下面可以可根據不同的數值,總結歸納的一般情況下此數值的實際意義。可左右滑動了解。
天線駐波比和阻抗的關系根據第二部分的公式,天線的駐波比與其阻抗密切相關,在這里我們一并進行解析。我們都知道天線系統由不同部分組成,例如收發信機和饋線、饋線和天線、天線和自由空間之間都會有阻抗差異,射頻信號經過這些結合處的時候,如果差異巨大,稱之為阻抗失配,表示一部分的能量被反射回去。目前一般使用50歐姆的饋線進行發射信號,這樣信號會完全通過天線輻射出去。
天線駐波比和阻抗的關系也很清楚,在阻抗失配的時候,饋線上會形成反射波,反向信號和正向信號疊加后,電波就像駐留在天線上一樣,稱之為駐波。此時可以測出電波最大能量與最小能量的比值,稱之為駐波比(SWR),通常用電壓駐波比VSWR來表示。
VSWR=1就是好天線嗎?
因為駐波比也是天線的考量之一,但是天線的好壞并不能單看駐波比,天線駐波比很低并不意味著天線性能很好,還需要考慮到其他參數。例如一部分會覺得VSWR=1都會是好天線,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。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。
審核編輯:湯梓紅
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原文標題:天線駐波比(VSWR)的逐層全解
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