回波損耗、反射系數(shù)、電壓駐波比以及S參數(shù)的物理意義

. .. .. .. .10/11回波損耗、反射系數(shù)、電壓駐波比以與S參數(shù)的物理意義以二端口網(wǎng)絡(luò)為例，如單根傳輸線，共有四個(gè)S參數(shù)：S11，S12，S21，S22，對(duì)于互易網(wǎng)絡(luò)有S12＝S21，對(duì)于對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)有S11＝S22，對(duì)于無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)，有S11*S11+S21*S21＝1112S參數(shù)：S11，S12，S21，S22，對(duì)于互易網(wǎng)絡(luò)有S12＝S21，對(duì)于對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)有S11＝S22，對(duì)于無(wú)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12或帶狀線，都有參考平面，為不對(duì)稱構(gòu)造〔但平行雙導(dǎo)線就S11不等于S22有S12＝S21。假設(shè)Port1為信號(hào)輸入端口，Port2為信號(hào)輸出端口，那么我們關(guān)心的S參數(shù)有兩個(gè)：S11和S21，S11表示Port1值越小越好，一般建議S110.7，即－3dB，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)是無(wú)耗的Port1S21>0.7的要求GHz即使在Port1S21的值就會(huì)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(duì)于由2根或以上的傳輸線組成的網(wǎng)絡(luò)，還會(huì)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)，留意在奇模鼓勵(lì)和偶模鼓勵(lì)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(hào)的邊緣速率表示的EMI放射帶寬圍滿足S11這幾個(gè)參數(shù)在射頻微波應(yīng)用中常常會(huì)遇到，他們各自的含義如(ReturnLoss)：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(VoltageStandingWaveRation):波腹電壓/波節(jié)電壓SS12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它各端口都要匹配。這些參數(shù)的共同點(diǎn)：他們都是描述阻抗匹配好壞程度的參數(shù)。其中，S11實(shí)際上就是反射系數(shù)Г，只不過它特指一個(gè)網(wǎng)絡(luò)1號(hào)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(lái)對(duì)待問題。而電壓駐波的原始定義與傳輸線有關(guān)，將兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，雖然我們能計(jì)算出連接之后的電壓駐波比的值，但實(shí)際上假設(shè)這里沒有傳輸線，根本不會(huì)存在駐波。我們實(shí)際上可以認(rèn)為電壓駐波比實(shí)際上是反射系數(shù)的另一種表達(dá)方式，至于用哪一個(gè)參數(shù)來(lái)進(jìn)展描述，取決于怎VSWR之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，12/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(gè)參數(shù)來(lái)衡量，即反射系數(shù)，行波系數(shù)，駐波比和回波損耗，四個(gè)參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系，使用那一個(gè)11示完全匹配；駐波比為無(wú)窮大表示全反射，完全失配。在移1.5?；夭〒p耗：它是反射系數(shù)確定值的倒數(shù)，以分貝值表示?；夭〒p耗的值在0dB的到無(wú)窮大之間，回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射，無(wú)窮大表示完全匹配。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般要求回波損耗大于14dB。2、公式表達(dá)2.1駐波比:S＝電壓最大值/電壓最小值＝Umax/Umin2.2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)2.3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〕︱取確定值2.4回波損耗：L＝1/P＝︱〔Zb+Za〕/〔Zb-Za〕︱2.5駐波比與反射系數(shù)：S＝〔1+P〕/〔1-P〕VSWRVSWR翻譯為電壓駐波比(VoltageStandingWaveRatio)，一般簡(jiǎn)稱駐波比。電磁波從甲介質(zhì)傳導(dǎo)到乙介質(zhì),會(huì)由于介質(zhì)不同,電磁波的能量會(huì)有一局部被反射，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VSWR=(1+反射系數(shù)模值)/(1能量的比值為1：(反射系數(shù)模的平方)從能量傳輸?shù)慕嵌瓤糣SWR為1:1線中，稱為阻抗匹配；最差時(shí)VSWR無(wú)窮大，此時(shí)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〔VSWR〕電壓駐波比〔VSWR〕是射頻技術(shù)中最常用的參數(shù)，用來(lái)衡量部件之間的匹配是否良好。當(dāng)業(yè)余無(wú)線電愛好者進(jìn)展聯(lián)絡(luò)時(shí)，固然首先會(huì)想到測(cè)量一下天線系統(tǒng)的駐波比是否接近1:1，假設(shè)接近1:1，固然好。常常聽到這樣的問題：但假設(shè)不能到達(dá)1，會(huì)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(tái)上沒有駐波表？VSWR與標(biāo)稱阻抗放射機(jī)與天線匹配的條件是兩者阻抗的電阻重量一樣、感抗局部相互抵消。假設(shè)放射機(jī)的阻抗不同，要求天線的阻抗也不同。在電子管時(shí)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，因此放射機(jī)的輸出阻抗多為幾百歐姆。而現(xiàn)代商品固態(tài)無(wú)線電通信機(jī)的天線標(biāo)稱阻抗那么多為50歐姆因此商品VSWR表也是按50歐姆設(shè)計(jì)標(biāo)度的。 你擁有一臺(tái)輸出阻抗為600歐姆的老電臺(tái)那就大可不必費(fèi)心血用50歐姆的VSWR計(jì)來(lái)修理你的天線，由于那樣反而幫倒忙。只要設(shè)法調(diào)到你的天線電流最大就可以了。VSWR不是1時(shí)，比較VSWR的值沒有意義正由于VSWR除了1VSWR表并沒有象電壓表、電阻VSWR給出它的誤差等級(jí)數(shù)據(jù)。由于表射頻耦合元件的相頻特性和二極管非線性的影響，多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(lái)加以說明。無(wú)論是提琴還是古箏，它的每一根弦在特定的長(zhǎng)度和力下，都會(huì)有自己的固有頻率。當(dāng)弦以固有頻率振動(dòng)時(shí)，兩端被固定不能移動(dòng)，但振動(dòng)方向的力最大。中間搖擺最大，但振動(dòng)力最松弛。這相當(dāng)于自由諧振的總長(zhǎng)度為1/2波長(zhǎng)的天線兩端沒有電〔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(diǎn)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(dòng)點(diǎn)的力與擺幅之比要恰當(dāng)，即驅(qū)動(dòng)源要和弦上驅(qū)動(dòng)點(diǎn)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?cè)趯?shí)際中不難覺察，拉弓或者撥弦位置錯(cuò)誤會(huì)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(shí)弦上各點(diǎn)的振動(dòng)狀態(tài)格外簡(jiǎn)單、混亂，即使振動(dòng)起來(lái)，各點(diǎn)對(duì)空氣的推動(dòng)不是齊心合力的，發(fā)聲效率很低。天線也是同樣，要使天線放射的電磁場(chǎng)最強(qiáng)，一是放射頻率必需和天線的固有頻率一樣，二是驅(qū)動(dòng)點(diǎn)要選在天線的適當(dāng)位置。假設(shè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)不恰當(dāng)而天線與信號(hào)頻率諧振，效果會(huì)略受影響，但是假設(shè)天線與信號(hào)頻率不諧振，那么放射效率會(huì)大打折扣。 所以，在天線匹配需要做到的兩點(diǎn)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(bào)話機(jī)中，天線電路只用串聯(lián)電感、電容的方法取得與工作頻率的嚴(yán)格諧振，而進(jìn)一步的阻抗協(xié)作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到達(dá)阻抗的嚴(yán)格匹配，但是實(shí)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確定為1要的調(diào)整是使整個(gè)天線電路與工作頻率諧振。天線的駐波比和天線系統(tǒng)的駐波比天線的VSWR高懸在空中，我們只能在天線電纜的下端測(cè)量VSWR，這樣測(cè)量的是包括電纜的整個(gè)天線系統(tǒng)的VSWR。當(dāng)天線本身的50姆時(shí)，測(cè)出的結(jié)果是正確的。當(dāng)天線阻抗不是50歐姆時(shí)而電纜為50VSWR值會(huì)嚴(yán)峻受到天線長(zhǎng)度的影響，只有當(dāng)電纜的電器長(zhǎng)度正好為波長(zhǎng)的整倍數(shù)時(shí)、而且電纜損耗可以無(wú)視不計(jì)時(shí)，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(zhǎng)度是整倍波長(zhǎng)，但電纜有損耗，例如電纜較細(xì)、電纜的電氣長(zhǎng)VSWR還是會(huì)比天線的實(shí)際VSWR低。VSWR時(shí)，尤其在UHF的影響。不對(duì)稱天線1/4臂長(zhǎng)度不同，它的諧振波長(zhǎng)如何計(jì)算？是否會(huì)消滅兩個(gè)諧振點(diǎn)？假設(shè)想清了上述琴弦的例子，答案就清楚了。系統(tǒng)總長(zhǎng)度不3/4線〕只有一個(gè)諧振頻率，取決于兩臂的總長(zhǎng)度。兩臂對(duì)稱，相當(dāng)于在阻抗最低點(diǎn)加以驅(qū)動(dòng)，得到的是最低的阻抗。兩臂長(zhǎng)度不等，相當(dāng)于把弓子偏近琴馬拉弦，費(fèi)的力不同，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的阻抗比較高一些，但是諧振頻率照舊是一個(gè)，由兩臂的1/2縮短到0，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗增大到幾乎無(wú)窮大，那么成為端饋天線，稱為無(wú)線電開展早期用在汽艇上的齊柏林天線和現(xiàn)代的1/2波長(zhǎng)R7000垂直天線，固然這時(shí)必需增加必要的匹配電50偶極天線兩臂不對(duì)稱，或者兩臂四周導(dǎo)電物體的影響不對(duì)1/2長(zhǎng)，不對(duì)稱不是格外嚴(yán)峻，那么雖然特性阻抗會(huì)變高，肯定程度上影響VSWR，但是實(shí)際放射效果還不至于有十清楚顯的惡化。QRPerVSWR當(dāng)VSWR過高時(shí)，主要是天線系統(tǒng)不諧振時(shí)，因而阻抗存在很大電抗重量時(shí)，放射機(jī)末級(jí)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(shí)，高VSWR簡(jiǎn)潔造成射頻末級(jí)功率器件的損壞。因此，將VSWR掌握在較低的數(shù)值，例如3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(cè)量到的VSWR過高時(shí)，會(huì)自動(dòng)降低驅(qū)動(dòng)功率，所以燒末級(jí)的危急比20年以前降低了很多。但是仍舊不要大意。 不過對(duì)于QRP玩家講來(lái)末級(jí)功率有時(shí)小到幾乎沒有燒末級(jí)的可能性。移動(dòng)運(yùn)用時(shí)要將便攜的臨時(shí)天線調(diào)到VSWR＝1卻由于環(huán)境的變幻而要絞盡腦汁。這時(shí)不必太喪氣。1988－1989年筆者為BY1PK試驗(yàn)4W的CW/QRP，使用長(zhǎng)度缺乏1.5米的三樓窗簾鐵絲和長(zhǎng)度為1.5米左右的塑料線做饋線，用串并電容的方法調(diào)到天線電流最大，測(cè)得VSWR為無(wú)窮大，卻也聯(lián)到了JA、VK、U9、OH等電臺(tái)。后來(lái)做了一個(gè)小天調(diào)，把VSWR調(diào)到1，但比照試驗(yàn)中遠(yuǎn)方友臺(tái)報(bào)告說，VSWR的極大變化并沒有給信號(hào)帶來(lái)什么改進(jìn)，似乎信號(hào)還變?nèi)趿诵赡茉瓉?lái)就微弱的信號(hào)被天調(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(tái)，總是免不了和VSWR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50第一，天線電路與工作頻率諧振〔否那么天線阻抗就不是純一些國(guó)外雜志文章在介紹天線時(shí)常常給出VSWR時(shí)會(huì)因此產(chǎn)生一種錯(cuò)覺，只要VSWR＝1R＝1只能說明放射機(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(gè)問題。一副按理論長(zhǎng)度作制作的偶極天線，和一副長(zhǎng)度只有1/20VSWR＝1，但放射效果確定大相徑庭，不能同日而語(yǔ)。做為極端例子，一個(gè)50歐姆的電