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標題: 天線VSWR電壓駐波比常識 [打印本頁]

作者: finns 時間: 2013-10-25 09:41
標題: 天線VSWR電壓駐波比常識

轉載自這一篇

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份量相同、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麼精確地認定（除非有特殊需要），所以多數VSWR表並沒有像電壓表、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管非線性的影響，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
讓我們用絃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，而要發出與琴絃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，那麼電纜下端測出的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。那麼如果兩臂長度不同，它的諧振波長如何計算？是否會出現兩個諧振點？如果想清了上述琴絃的例子，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、地網為鏡像的單臂天線）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，那麼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份量時，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米左右的塑料線做饋線，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，那麼可能性會有很多：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。本文不打算重複很多無線電技術書籍中關於電壓駐波比的理論敘述，只是想從感性認識的層面談幾個實用問題。

作者: willis 時間: 2013-10-25 15:09

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