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電壓駐波比、S參數的含義與關系

發布時間:2017-11-08

以二端口網絡為例,如單根傳輸線,共有四個S參數:S11,S12,S21,S22,對于互易網絡有S12=S21,對于對稱網絡有S11=S22,對于無耗網絡,有S11*S11+S21*S21=1,即網絡不消耗任何能量,從端口1輸入的能量不是被反射回端口1就是傳輸到端口2上了。


在高速電路設計中用到的微帶線或帶狀線,都有參考平面,為不對稱結構(但平行雙導線就是對稱結構),所以S11不等于S22,但滿足互易條件,總是有S12=S21。假設Port1為信號輸入端口,Port2為信號輸出端口,則我們關心的S參數有兩個:S11和S21,S11表示回波損耗,也就是有多少能量被反射回源端(Port1)了,這個值越小越好,一般建議S11<0.1,即-20dB,S21表示插入損耗,也就是有多少能量被傳輸到目的端(Port2)了,這個值越大越好,理想值是1,即0dB,越大傳輸的效率越高,一般建議S21>0.7,即-3dB,如果網絡是無耗的,那么只要Port1上的反射很小,就可以滿足S21>0.7的要求,但通常的傳輸線是有耗的,尤其在GHz以上,損耗很顯著,即使在Port1上沒有反射,經過長距離的傳輸線后,S21的值就會變得很小,表示能量在傳輸過程中還沒到達目的地,就已經消耗在路上了。


對于由2根或以上的傳輸線組成的網絡,還會有傳輸線間的互參數,可以理解為近端串擾系數、遠端串擾系統,注意在奇模激勵和偶模激勵下的S參數值不同。

需要說明的是,S參數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參數的指標只要在由信號的邊緣速率表示的EMI發射帶寬范圍內滿足要求就可以了。

回波損耗、反射系數、電壓駐波比,、S11這幾個參數在射頻微波應用中經常會碰到,他們各自的含義如下:


回波損耗(Return Loss):入射功率/反射功率, 為dB數值

反射系數(Г):反射電壓/入射電壓, 為標量

電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ration): 波腹電壓/波節電壓

S參數:S12為反向傳輸系數,也就是隔離。S21為正向傳輸系數,也就是增益。S11為輸入反射系數,也就是輸入回波損耗,S22為輸出反射系數,也就是輸出回波損耗。


四者的關系:
VSWR=(1+Г)/(1-Г) (1)
S11=20lg(Г) (2)
RL=-S11 (3)


以上各參數的定義與測量都有一個前提,就是其它各端口都要匹配。這些參數的共同點:他們都是描述阻抗匹配好壞程度的參數。其中,S11實際上就是反射系數Г,只不過它特指一個網絡1號端口的反射系數。反射系數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看待問題。而電壓駐波的原始定義與傳輸線有關,將兩個網絡連接在一起,雖然我們能計算出連接之后的電壓駐波比的值,但實際上如果這里沒有傳輸線,根本不會存在駐波。我們實際上可以認為電壓駐波比實際上是反射系數的另一種表達方式,至于用哪一個參數來進行描述,取決于怎樣方便,以及習慣如何。


回波損耗與VSWR之間的轉換關系,讀者可以采用上面的式子1和2來手動計算。


一、反射系數/行波系數/駐波比/回波損耗


1、定義


天饋線匹配:阻抗匹配的優劣一般用四個參數來衡量,即反射系數,行波系數,駐波比和回波損耗,四個參數之間有固定的數值關系,使用那一個均出于習慣。通常用的較多的是駐波比和回波損耗。

比: 它是行波系數的倒數,其值在1到無窮大之間。駐波比為1,表示完全匹配;駐波比為無窮大表示全反射,完全失配。在移動通信系統中,一般要求駐波比小于1.5。

回波損耗: 它是反射系數絕對值的倒數,以分貝值表示?;夭〒p耗的值在0dB的到無窮大之間,回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射,無窮大表示完全匹配。在移動通信系統中,一般要求回波損耗大于14dB。


2、表達公式


駐波比:

S=電壓最大值/電壓最小值
=Umax/Umin


行波系數:

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)


反射系數:

P=反射波振幅/入射波振幅
=(傳輸線特性阻抗-負載阻抗)/(傳輸線特性阻抗+負載阻抗)
即P=︱(Zb-Za)/(Zb+Za)︱ 取絕對值


回波損耗:

L=1/P=︱(Zb+Za)/(Zb-Za)︱


駐波比與反射系數:

S=(1+P)/(1-P)


二、電壓駐波比(VSWR)


1、VSWR


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,會由于介質不同,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峰值與電壓谷值之比,此值可以通過反射系數的模值計算: VSWR=(1+反射系數模值)/(1-反射系數模值)。 而入射波能量與反射波能量的比值為 1:(反射系數模的平方)

從能量傳輸的角度考慮,理想的VSWR為 1:1 ,即此時為行波傳速狀態,在傳輸線中,稱為阻抗匹配;最差時VSWR無窮大,此時反射系數模為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。


2、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?


3、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。


4、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?。妷翰ü龋?。

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。


5、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。


6、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。


7、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。


三、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。

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