在高速電路設(shè)計中用到的微帶線或帶狀線，都有參考平面，為不對稱結(jié)構(gòu)（但平行雙導(dǎo)線就是對稱結(jié)構(gòu)），所以S11不等于S22，但滿足互易條件，總是有S12＝S21。假設(shè)Port1為信號輸入端口，Port2為信號輸出端口，則我們關(guān)心的S參數(shù)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?shù)侥康亩耍≒ort2）了，這個值越大越好，理想值是1，即0dB，越大傳輸?shù)男试礁?，一般建議S21>0.7，即－3dB，如果網(wǎng)絡(luò)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(jīng)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(dá)目的地，就已經(jīng)消耗在路上了。

 

對于由2根或以上的傳輸線組成的網(wǎng)絡(luò)，還會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)，注意在奇模激勵和偶模激勵下的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)只要在由信號的邊緣速率表示的EMI發(fā)射帶寬范圍內(nèi)滿足要求就可以了。

 

回波損耗、反射系數(shù)、電壓駐波比,、S11這幾個參數(shù)在射頻微波應(yīng)用中經(jīng)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(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(Voltage Standing Wave Ration): 波腹電壓/波節(jié)電壓

 

S參數(shù)：S12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)

 

以上各參數(shù)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(shù)的共同點：他們都是描述阻抗匹配好壞程度的參數(shù)。其中，S11實際上就是反射系數(shù)Г，只不過它特指一個網(wǎng)絡(luò)1號端口的反射系數(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看待問題。而電壓駐波的原始定義與傳輸線有關(guān)，將兩個網(wǎng)絡(luò)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(rèn)為電壓駐波比實際上是反射系數(shù)的另一種表達(dá)方式，至于用哪一個參數(shù)來進(jìn)行描述，取決于怎樣方便，以及習(xí)慣如何。

 

回波損耗與VSWR之間的轉(zhuǎn)換關(guān)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(shù)/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)劣一般用四個參數(shù)來衡量，即反射系數(shù)，行波系數(shù)，駐波比和回波損耗，四個參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系，使用那一個均出于習(xí)慣。通常用的較多的是駐波比和回波損耗。

 

比： 它是行波系數(shù)的倒數(shù)，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(tǒng)中，一般要求駐波比小于1.5。

 

回波損耗： 它是反射系數(shù)絕對值的倒數(shù)，以分貝值表示。回波損耗的值在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(tǒng)中，一般要求回波損耗大于14dB。

 

 

2、表達(dá)公式 

 

駐波比:

 

S＝電壓最大值/電壓最小值

 

＝Umax/Umin

 

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)

 

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）︱ 取絕對值

 

回波損耗：

 

L＝1/P＝︱（Zb+Za）/（Zb-Za）︱

 

駐波比與反射系數(shù)：

 

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(zhì)傳導(dǎo)到乙介質(zhì),會由于介質(zhì)不同,電磁波的能量會有一部分被反射，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谷值之比，此值可以通過反射系數(shù)的模值計算： VSWR=(1+反射系數(shù)模值)/(1-反射系數(shù)模值）。 而入射波能量與反射波能量的比值為 1：(反射系數(shù)模的平方)

 

從能量傳輸?shù)慕嵌瓤紤]，理想的VSWR為 1:1 ，即此時為行波傳速狀態(tài)，在傳輸線中，稱為阻抗匹配；最差時VSWR無窮大，此時反射系數(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(shù)中最常用的參數(shù)，用來衡量部件之間的匹配是否良好。當(dāng)業(yè)余無線電愛好者進(jìn)行聯(lián)絡(luò)時，當(dāng)然首先會想到測量一下天線系統(tǒng)的駐波比是否接近1:1， 

 

如果接近1:1，當(dāng)然好。常常聽到這樣的問題：但如果不能達(dá)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(biāo)稱阻抗

 

發(fā)射機(jī)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(fā)射機(jī)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(fā)射機(jī)的輸出阻抗多為幾百歐姆。而現(xiàn)代商品固態(tài)無線電通信機(jī)的天線標(biāo)稱阻抗則多為50歐姆，因此商品VSWR表也是按50歐姆設(shè)計標(biāo)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(shè)法調(diào)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(shù)值不值得那么精確地認(rèn)定（除非有特殊需要），所以多數(shù)VSWR表并沒有象電壓表、電阻表那樣認(rèn)真標(biāo)定，甚至很少有VSWR給出它的誤差等級數(shù)據(jù)。由于表內(nèi)射頻耦合元件的相頻特性和二極管非線性的影響，多數(shù)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(dāng)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(dāng)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?nbsp;  

 

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)動點的張力與擺幅之比要恰當(dāng)，即驅(qū)動源要和弦上驅(qū)動點的阻抗相匹配。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。我們在實際中不難發(fā)現(xiàn)，拉弓或者撥弦位置錯誤會影響弦的發(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，此時弦上各點的振動狀態(tài)十分復(fù)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(fā)聲效率很低。 

 

天線也是同樣，要使天線發(fā)射的電磁場最強(qiáng)，一是發(fā)射頻率必須和天線的固有頻率相同，二是驅(qū)動點要選在天線的適當(dāng)位置。如果驅(qū)動點不恰當(dāng)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(fā)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(guān)鍵的因素。 

 

在早期的發(fā)信機(jī)，例如本期介紹的71型報話機(jī)中，天線電路只用串聯(lián)電感、電容的辦法取得與工作頻率的嚴(yán)格諧振，而進(jìn)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(dá)到阻抗的嚴(yán)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(yè)余電臺天線最重要的調(diào)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(tǒng)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(tǒng)的VSWR。當(dāng)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(jié)果是正確的。 

 

當(dāng)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(yán)重受到天線長度的影響，只有當(dāng)電纜的電器長度正好為波長的整倍數(shù)時、而且電纜損耗可以忽略不計時，電纜下端呈現(xiàn)的阻抗正好和天線的阻抗完全一樣。但即便電纜長度是整倍波長，但電纜有損耗，例如電纜較細(xì)、電纜的電氣長度達(dá)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(yīng)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(xiàn)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(tǒng)總長度不足3/4波長的偶極天線（或者以地球、地網(wǎng)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(dāng)于在阻抗最低點加以驅(qū)動，得到的是最低的阻抗。兩臂長度不等，相當(dāng)于把弓子偏近琴馬拉弦，費的力不同，驅(qū)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(qū)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(fā)展早期用在汽艇上的齊柏林天線和現(xiàn)代的1/2波長R7000垂直天線，當(dāng)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(fā)射機(jī)上。 

 

偶極天線兩臂不對稱，或者兩臂周圍導(dǎo)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(yán)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(fā)射效果還不至于有十分明顯的惡化。 

 

7、QRPer不必苛求VSWR 

 

當(dāng)VSWR過高時，主要是天線系統(tǒng)不諧振時，因而阻抗存在很大電抗分量時，發(fā)射機(jī)末級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，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(shù)值，例如3以內(nèi)，是必要的。 

 

現(xiàn)在有些設(shè)備具有比較完備的高VSWR保護(hù)，當(dāng)在線測量到的VSWR過高時，會自動降低驅(qū)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(diào)到VSWR＝1卻因為環(huán)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(diào)到天線電流最大，測得VSWR為無窮大，卻也聯(lián)到了JA、VK、U9、OH等電臺。后來做了一個小天調(diào)，把VSWR調(diào)到 1，但對比試驗中遠(yuǎn)方友臺報告說，VSWR的極大變化并沒有給信號帶來什么改進(jìn)，好像信號還變?nèi)趿诵?，可能本來就微弱的信號被天調(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，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(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統(tǒng)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(dāng)?shù)酿侂婞c。 

 

一些國外雜志文章在介紹天線時經(jīng)常給出VSWR的曲線。有時會因此產(chǎn)生一種錯覺，只要VSWR＝1，總會是好天線。其實，VSWR＝1只能說明發(fā)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(dāng)措施，它們都可能做到VSWR＝1，但發(fā)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(fā)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(shù)值都是一個園，擁有無窮多個點。也就是說，VSWR數(shù)值相同時，天線系統(tǒng)的狀態(tài)有很多種可能性，因此兩根天線之間僅用VSWR數(shù)值來做簡單的互相比較沒有太嚴(yán)格的意義。 

 

天線VSWR＝1說明天線系統(tǒng)和發(fā)信機(jī)滿足匹配條件，發(fā)信機(jī)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。

 

 

推薦閱讀：