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什么是VSWR电压驻波比?做到多少才算合格?
浏览次数:51     发布时间:2019-04-13    

来源:微波仿真论坛

 

微波射频工程师在与天线打交道的时候少不了要处理驻波比,而提起驻波比,我们平常说的一般都是电压驻波比(VSWR)。什么是电压驻波比,而这个参数又是怎么计算出来的呢?我们今天试着不深入了解研究,而是简单地了解一下它在业余无线电中的含义。

 

任何包含传输线的无线电系统中,无线电信号的发射者,传递信号的传输线以及无线电信号的负载都具有特征阻抗。平常用于业余无线电信号的发射和接收系统多具有50欧姆的特征阻抗,而在有线电视系统中的特征阻抗多为75欧姆。当这个系统中所有设备的特征阻抗都相同时,问题不大。但若是发射机和传输线的特征阻抗都为50欧而负载不为50欧姆时,就会产生一些问题。


我们可以简单地认为当负载的特征阻抗与传输线和发射机不一致时,发射机所发出的功率不能够完全地被负载接收。必然有一些功率要沿着传输线返回到发射机。此时,在传输线中的正向波和反向波的电压电流将在不同的点根据相位关系叠加并相加减,从而在传输线上产生驻波。如果你找一根绳儿,拴住一段并上下摇晃另一端,你就能够在绳上看到振荡的最小和最大点。它和传输线上的驻波关系是类似的。

VSWR是衡量传输线上驻波情况的一个定义。它定义为在无损耗的传输线上,电压最大值点的电压和最小值点电压的比值。虽然在传输线上电流也满足同样的关系,但测量电压总比测量电流要来得简单。如果天线的阻抗匹配和发射机以及馈线的阻抗是匹配的,那么测量到的VSWR应该是1:1也即1。而当阻抗不能完全匹配的时候,VSWR可能为2:1甚至5:1以上。

 

为什么我们平常说驻波比会影响天馈系统呢?其主要因素有以下几点:

 

1:发射机的功率放大器部分可能会损坏。由于天馈系统不匹配,返回到发射机的功率可能是功放末级晶体管难以承受的。强行发射有可能会烧坏机器,现在的机器大部分都有自动保护,但仍不可掉以轻心——另外,保护的时候机器自动降低功率,使得发射的效果大打折扣。

 

2:驻点的高电压和电流有可能会损坏馈线。虽然这是一种极为稀有的情况,但如果发射机没有保护,仍然以大功率发射电波,那么馈线的包裹材料可能会被损坏。

 

3:反射波可能会带来失真。如果收发信机是全双工的机器,自己的信号通过较长的馈线反射回来可能会干扰接收机。

 

当然,作为业余无线电的设备来说,最大的问题仍然是1中所提到的问题。那么,平常我们按照驻波比来调整天线,究竟和发射效率有什么关系呢?

 

如果你认清了驻波比的本质,你就会发现驻波比实际上形容的是天线系统和发射机系统之间的阻抗匹配关系,而根据天线结构的不同,并不是所有的优秀天线的特征阻抗都是50欧姆。八木天线阻抗可以为28欧姆,而其他的一些天线阻抗则可能为几百欧姆。如果直接接入发射机的话,其VSWR会非常高,但你不能称其为“低效率天线”,而应使用适当的阻抗匹配方式将其妥善匹配。而同样的,一个50欧姆的无感电阻接在馈线的末端能够实现1:1的完美匹配,但其辐射效率为0。

 

电压驻波比(VSWR)是射频技术中最常用的参数,用来衡量部件之间的匹配是否良好。当业余无线电爱好者进行联络时,当然首先会想到测量一下天线系统的驻波比是否接近1:1,    如果接近1:1,当然好。常常听到这样的问题:但如果不能达到1,会怎样呢?驻波比小到几,天线才算合格?为什么大小81这类老式的军用电台上没有驻波表?


 
 
一、VSWR及标称阻抗

 

发射机与天线匹配的条件是两者阻抗的电阻分量相同、感抗部分互相抵消。如果发射机的阻抗不同,要求天线的阻抗也不同。在电子管时代,一方面电子管本输出阻抗高,另一方面低阻抗的同轴电缆还没有得到推广,流行的是特性阻抗为几百欧的平行馈线,因此发射机的输出阻抗多为几百欧姆。而现代商品固态无线电通信机的天线标称阻抗则多为50欧姆,因此商品VSWR表也是按50欧姆设计标度的。


 
如果你拥有一台输出阻抗为600欧姆的老电台,那就大可不必费心血用50欧姆的VSWR计来修理你的天线,因为那样反而帮倒忙。只要设法调到你的天线电流最大就可以了。


VSWR不是1时,比较VSWR的值没有意义


 
正因为VSWR除了1以外的数值不值得那么精确地认定(除非有特殊需要),所以多数VSWR表并没有象电压表、电阻表那样认真标定,甚至很少有VSWR给出它的误差等级数据。由于表内射频耦合元件的相频特性和二极管非线性的影响,多数VSWR表在不同频率、不同功率下的误差并不均匀。

 

VSWR都=1不等于都是好天线


 
二、影响天线效果的最重要因素:谐振


 
让我们用弦乐器的弦来加以说明。无论是提琴还是古筝,它的每一根弦在特定的长度和张力下,都会有自己的固有频率。当弦以固有频率振动时,两端被固定不能移动,但振动方向的张力最大。中间摆动最大,但振动张力最松弛。这相当于自由谐振的总长度为1/2波长的天线,两端没有电流(电流波谷)而电压幅度最大(电压波腹),中间电流最大(电流波腹)而相邻两点的电压最小(电压波谷)。


 
我们要使这根弦发出最强的声音,一是所要的声音只能是弦的固有频率,二是驱动点的张力与摆幅之比要恰当,即驱动源要和弦上驱动点的阻抗相匹配。具体表现就是拉弦的琴弓或者弹拨的手指要选在弦的适当位置上。我们在实际中不难发现,拉弓或者拨弦位置错误会影响弦的发声强度,但稍有不当还不至于影响太多,而要发出与琴弦固有频率不同的声响却是十分困难的,此时弦上各点的振动状态十分复杂、混乱,即使振动起来,各点对空气的推动不是齐心合力的,发声效率很低。


天线也是同样,要使天线发射的电磁场最强,一是发射频率必须和天线的固有频率相同,二是驱动点要选在天线的适当位置。如果驱动点不恰当而天线与信号频率谐振,效果会略受影响,但是如果天线与信号频率不谐振,则发射效率会大打折扣。


 
 所以,在天线匹配需要做到的两点中,谐振是最关键的因素。


 
在早期的发信机,例如介绍的71型报话机中,天线电路只用串联电感、电容的办法取得与工作频率的严格谐振,而进一步的阻抗配合是由线圈之间的固定耦合确定死的,在不同频率下未必真正达到阻抗的严格匹配,但是实际效果证明只要谐振就足以好好工作了。


 
因此在没有条件做到VSWR绝对为1时,业余电台天线最重要的调整是使整个天线电路与工作频率谐振。


 
三、天线的驻波比和天线系统的驻波比

 

天线的VSWR需要在天线的馈电端测量。但天线馈电点常常高悬在空中,我们只能在天线电缆的下端测量VSWR,这样测量的是包括电缆的整个天线系统的VSWR。当天线本身的阻抗确实为50欧姆纯电阻、电缆的特性阻抗也确实是50欧姆时,测出的结果是正确的。


 
当天线阻抗不是50欧姆时而电缆为50欧姆时,测出的VSWR值会严重受到天线长度的影响,只有当电缆的电器长度正好为波长的整倍数时、而且电缆损耗可以忽略不计时,电缆下端呈现的阻抗正好和天线的阻抗完全一样。但即便电缆长度是整倍波长,但电缆有损耗,例如电缆较细、电缆的电气长度达到波长的几十倍以上,那么电缆下端测出的VSWR还是会比天线的实际VSWR低。


 
所以,测量VSWR时,尤其在UHF以上频段,不要忽略电缆的影响。


 
四、不对称天线

我们知道偶极天线每臂电气长度应为1/4波长。那么如果两臂长度不同,它的谐振波长如何计算?是否会出现两个谐振点?


  
如果想清了上述琴弦的例子,答案就清楚了。系统总长度不足3/4波长的偶极天线(或者以地球、地网为镜象的单臂天线)只有一个谐振频率,取决于两臂的总长度。两臂对称,相当于在阻抗最低点加以驱动,得到的是最低的阻抗。两臂长度不等,相当于把弓子偏近琴马拉弦,费的力不同,驱动点的阻抗比较高一些,但是谐振频率仍旧是一个,由两臂的总长度决定。如果偏到极端,一臂加长到1/2波长而另一臂缩短到0,驱动点阻抗增大到几乎无穷大,则成为端馈天线,称为无线电发展早期用在汽艇上的齐柏林天线和现代的1/2波长R7000垂直天线,当然这时必须增加必要的匹配电路才能连接到50欧姆的低阻抗发射机上。


  
偶极天线两臂不对称,或者两臂周围导电物体的影响不对称,会使谐振时的阻抗变高。但只要总电气长度保持1/2波长,不对称不是十分严重,那么虽然特性阻抗会变高,一定程度上影响VSWR,但是实际发射效果还不至于有十分明显的恶化。


 
五、QRPer不必苛求VSWR

 

当VSWR过高时,主要是天线系统不谐振时,因而阻抗存在很大电抗分量时,发射机末级器件可能需要承受较大的瞬间过电压。早期技术不很成熟时,高VSWR容易造成射频末级功率器件的损坏。因此,将VSWR控制在较低的数值,例如3以内,是必要的。


  
现在有些设备具有比较完备的高VSWR保护,当在线测量到的VSWR过高时,会自动降低驱动功率,所以烧末级的危险比20年以前降低了很多。但是仍然不要大意。


  
不过对于QRP玩家讲来,末级功率有时小到几乎没有烧末级的可能性。移动运用时要将便携的临时天线调到VSWR=1却因为环境的变幻而要绞尽脑汁。这时不必太丧气。1988-1989年笔者为BY1PK试验4W的CW/QRP,使用长度不足1.5米的三楼窗帘铁丝和长度为1.5米左右的塑料线做馈线,用串并电容的办法调到天线电流最大,测得VSWR为无穷大,却也联到了JA、VK、U9、OH等电台。后来做了一个小天调,把VSWR调到1,但对比试验中远方友台报告说,VSWR的极大变化并没有给信号带来什么改进,好像信号还变弱了些,可能本来就微弱的信号被天调的损耗又吃掉了一些吧。


  
总之,VSWR道理多多。既然有了业余电台,总是免不了和VSWR打交道,不妨多观察、积累、交流各自的心得吧。


  
天线系统和输出阻抗为50欧的发信机的匹配条件是天线系统阻抗为50欧纯电阻。要满足这个条件,需要做到两点:


第一,天线电路与工作频率谐振(否则天线阻抗就不是纯电阻);


第二,选择适当的馈电点。  


一些国外杂志文章在介绍天线时经常给出VSWR的曲线。有时会因此产生一种错觉,只要VSWR=1,总会是好天线。其实,VSWR=1只能说明发射机的能量可以有效地传输到天线系统。但是这些能量是否能有效地辐射到空间,那是另一个问题。一副按理论长度作制作的偶极天线,和一副长度只有1/20的缩短型天线,只要采取适当措施,它们都可能做到VSWR=1,但发射效果肯定大相径庭,不能同日而语。做为极端例子,一个50欧姆的电阻,它的VSWR十分理想地等于1,但是它的发射效率是0。 

  
 
而如果VSWR不等于1,譬如说等于4,那么可能性会有很多:天线感性失谐,天线容性失谐,天线谐振但是馈电点不对,等等。在阻抗园图上,每一个VSWR 数值都是一个园,拥有无穷多个点。也就是说,VSWR数值相同时,天线系统的状态有很多种可能性,因此两根天线之间仅用VSWR数值来做简单的互相比较没有太严格的意义。    天线VSWR=1说明天线系统和发信机满足匹配条件,发信机的能量可以最有效地输送到天线上,匹配的情况只有这一种。  

 


注:驻波比全称为电压驻波比,又名VSWR和SWR,为英文Voltage Standing Wave Ratio的简写。指驻波波腹电压与波谷电压幅度之比,又称为驻波系数、驻波比。驻波比等于1时,表示馈线和天线的阻抗完全匹配,此时高频能量全部被天线辐射出去,没有能量的反射损耗;驻波比为无穷大时,表示全反射,能量完全没有辐射出去。


 
驻波比就是一个数值,用来表示天线和电波发射台是否匹配。如果 SWR 的值等于1, 则表示发射传输给天线的电波没有任何反射,全部发射出去,这是最理想的情况。如果SWR 值大于1, 则表示有一部分电波被反射回来,最终变成热量,使得馈线升温。被反射的电波在发射台输出口也可产生相当高的电压,有可能损坏发射台。

 

天线驻波比的意义表示天馈线与基站(收发信机)匹配程度的指标。


驻波比的定义:


VSWR=Umax/Umin


Umax——馈线上波腹电压;


Umin——馈线上波谷电压。


驻波比的产生,是由于入射波能量传输到天线输入端B未被全部吸收(辐射)、产生反射波,迭加而形成的。


VSWR越大,反射越大,匹配越差。


那么,驻波比差,到底有哪些坏处?在工程上可以接受的驻波比是多少?一个适当的驻波比指标是要在损失能量的数量与制造成本之间进行折中权衡的。

⑴ VSWR>1,说明输进天线的功率有一部分被反射回来,从而降低了天线的辐射功率;


⑵ 增大了馈线的损耗。7/8"电缆损耗4dB/100m,是在VSWR=1(全匹配)情况下测的;有了反射功率,就增大了能量损耗,从而降低了馈线向天线的输入功率;


⑶ 在馈线输入端A,失配严重时,发射机T的输出功率达不到设计额定值。但是,现代发射机输出功率允许在一定失配情况下如(VSWR<1.7或2.0)达到额定功率。


驻波比与反射功率的关系如下。


  可见,不一定追求1.1以下的驻波比,一般1.5一下也足够了,96%的都发射出去了。


驻波比  反射率
  1.0  0.00%
  1.1  0.23%
  1.2  0.83%
  1.3  1.70%
  1.5  4.00%
  1.7  6.72%
  1.8  8.16%
  2.0  11.11%
  2.5  18.37%
  3.0  25.00%
  4.0  36.00%
  5.0  44.44%
  7.0  56.25%
  10  66.94%
  15  76.56%
  20  81.86%

VSWR及标称阻抗


   发射机与天线匹配的条件是两者阻抗的电阻分量相同、感抗部分互相抵消。如果发射机的阻抗不同,要求天线的阻抗也不同。在电子管时代,一方面电子管本输出阻抗高,另一方面低阻抗的同轴电缆还没有得到推广,流行的是特性阻抗为几百欧的平行馈线,因此发射机的输出阻抗多为几百欧姆。而现代商品固态无线电通信机的天线标称阻抗则多为50欧姆,因此商品VSWR表也是按50欧姆设计标度的。


   如果你拥有一台输出阻抗为600欧姆的老电台,那就大可不必费心血用50欧姆的VSWR计来修理你的天线,因为那样反而帮倒忙。只要设法调到你的天线电流最大就可以了。

 

   VSWR不是1时,比较VSWR的值没有意义


   正因为VSWR除了1以外的数值不值得那么精确地认定(除非有特殊需要),所以多数VSWR表并没有象电压表、电阻表那样认真标定,甚至很少有VSWR给出它的误差等级数据。由于表内射频耦合元件的相频特性和二极管非线性的影响,多数VSWR表在不同频率、不同功率下的误差并不均匀。

   VSWR都=1不等于都是好天线


   影响天线效果的最重要因素:谐振


   让我们用弦乐器的弦来加以说明。无论是提琴还是古筝,它的每一根弦在特定的长度和张力下,都会有自己的固有频率。当弦以固有频率振动时,两端被固定不能移动,但振动方向的张力最大。中间摆动最大,但振动张力最松弛。这相当于自由谐振的总长度为1/2波长的天线,两端没有电流(电流波谷)而电压幅度最大(电压波腹),中间电流最大(电流波腹)而相邻两点的电压最小(电压波谷)。

 

   我们要使这根弦发出最强的声音,一是所要的声音只能是弦的固有频率,二是驱动点的张力与摆幅之比要恰当,即驱动源要和弦上驱动点的阻抗相匹配。具体表现就是拉弦的琴弓或者弹拨的手指要选在弦的适当位置上。我们在实际中不难发现,拉弓或者拨弦位置错误会影响弦的发声强度,但稍有不当还不至于影响太多,而要发出与琴弦固有频率不同的声响却是十分困难的,此时弦上各点的振动状态十分复杂、混乱,即使振动起来,各点对空气的推动不是齐心合力的,发声效率很低。


   天线也是同样,要使天线发射的电磁场最强,一是发射频率必须和天线的固有频率相同,二是驱动点要选在天线的适当位置。如果驱动点不恰当而天线与信号频率谐振,效果会略受影响,但是如果天线与信号频率不谐振,则发射效率会大打折扣。


   所以,在天线匹配需要做到的两点中,谐振是最关键的因素。


   在早期的发信机,例如本期介绍的71型报话机中,天线电路只用串联电感、电容的办法取得与工作频率的严格谐振,而进一步的阻抗配合是由线圈之间的固定耦合确定死的,在不同频率下未必真正达到阻抗的严格匹配,但是实际效果证明只要谐振就足以好好工作了。


   因此在没有条件做到VSWR绝对为1时,业余电台天线最重要的调整是使整个天线电路与工作频率谐振。


驻波比(VSWR)用来检测天馈线系统、射频接头以及所有的连接到基站的射频设备的工作状态。

VSWR过高会导致掉话、高误码率,而且由此引入的发射/接受功率的衰减会导致小区覆盖半径缩小。

 

只有负载阻抗与信号源阻抗完全匹配,才能最大化地把信号从信号源传送到负载。对于基站系统,信号源就是发射机,负载就是天馈线子系统,天馈线子系统包括天线、馈线、射频连接头以及避雷器等附属设备。如果负载和信号源不能做到完全匹配,部分信号就会反射回信号源,这是我们所不希望的,这时就会产生前向波和反向波,这两个信号组合在一起就形成了驻波。驻波比(VSWR)是指驻波的最大电平和最小电平的比值,它的大小从1:1(完全匹配)到∞。


 图 由于阻抗不完全匹配导致的反向波的产生

 

 

我们可以通过反射系数Γ或者回波损耗RL计算出VSWR,在这里我们列出了反射系数Γ 、回波损耗RL以及VSWR的计算公式:


 


其中,
 
Z为输出阻抗
Z0为输入阻抗
Pfoward为前向功率
Preflected为反向功率

 

可接受的VSWR范围

 

由于我们无法做到100%的负载和信号源阻抗匹配,总会有部分信号不可避免地被天线反射回来,所以需要确定一个VSWR范围作为衡量可接受的VSWR的标准。通常我们把1。13:1 ? 1。38:1 作为VSWR衡量标准。另外,回波损耗也可以作为一种衡量标准,前向功率与反向功率的比值就是回波损耗,如果已知40dBm的前向功率和20dBm的反向功率,那么我们可以计算出回波损耗是20dB,如果已知基站的输出功率是20W、回波损耗是16dB,那么我们可以计算出反射功率是0。5W。通常我们把16 ?24dB作为回波损耗的衡量标准。

 

当发射机到天线的发射通路上出现严重故障,会产生很低的回波损耗,比如射频接头松动、天线故障、馈线损坏、避雷器击穿以及滤波器/耦合器损坏,等等。这种严重的VSWR故障将会导致掉话、误码率升高以及小区覆盖半径变小等故障。

 

从功率的角度看驻波比

 

若以功率的观点来看,驻波比可以表示为:SWR = (√Po + √Pr)/(√Po - √Pr)


Po:进入天线系统的功率


Pr:从天线系统反射回来的功率


经过运算SWR 与 Pr/Po (反射功率百分比)的关系如下:Pr/Po = [(SWR-1)/(SWR+1)]^2
其实驻波比测试仪基本上就是功率表,它可以量测输入功率及反射功率


什么叫驻波?


两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播时互相叠加而成的波,称为驻波。

特点:波谷和波峰保持不动,波形不向前传播,仅在平衡位置振动;波形在空间不移动。

一般在传输线上的电磁波由行波(向前传输的波)和反射波构成,驻波比就是反映波停留的状态,如驻波比越大,波就越停留在原地,如果驻波比无穷大,就代表波是停留在原地。相反地,驻波比的倒数可以定义为行波系数,它表示波行进的状态,行波系数越大,代表波越向前行进。


什么叫匹配?

移动通信系统中,发射机、天线、馈线、射频连接头以及避雷器等附属设备需要用电缆和接插件把这些设备部件连接起来,只有正确连接,方可保证设备运转正常。在一般情况下,人们往往都更注重天线的方向、仰角、极化、频率的选取等步骤,安装调试步骤中往往忽视设备之间的连接,这些设备部件连接时从始至终都应遵循“匹配”这一条原则。

 

“匹配”,从功率的角度出发意味着最大的输出功率,即在供电电路中使负载阻抗等于电源内阻抗的共轭值(电阻相等,电抗大小相等,符号相反),称作“匹配”。匹配的目的在于得到最大的输出功率。 从传输线的角度出发意味着无损耗传输,即在应用于传输线时,使负载阻抗等于传输线的特性阻抗,称作“匹配”。匹配的目的是消除负载引起的反射,避免发生驻波,使负载获取最大功率。

 

在移动通信系统中,诸多的地方需要匹配。接收天线必须同发射天线有相同的极化,且旋向相同,以实现极化匹配接收全部能量。凡是馈线连接的各个部位及各部件间的连接都需要达到匹配。在移动通信系统中只要有不匹配的地方出现,使信号在部件中间、馈线间产生反射,从而使信号质量下降、噪声增加。因此对安装调试使用者而言,需要规规矩矩的做好每一步,确保系统匹配。

 


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