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

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，對于互易網(wǎng)絡(luò)有S12＝S21，對于對稱網(wǎng)絡(luò)有S11＝S22，對于無耗網(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1就是傳輸?shù)蕉丝?上了。在高速電路設(shè)計(jì)中用到以二端口網(wǎng)絡(luò)為例，如單根傳輸線，共有四個(gè)S參數(shù)：S11，S12，S21，S22，對于互易網(wǎng)絡(luò)有S12＝S21，對于對稱網(wǎng)絡(luò)有S11＝S22，對于無耗網(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1就是傳輸?shù)蕉丝?上了。在高速電路設(shè)計(jì)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(gè)：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(gè)值越小越好，一般建議S110.7，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(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)，注意在奇模激勵(lì)和偶模激勵(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(gè)參數(shù)在射頻微波應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)碰到，他們各自的含義如下：回波損耗(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(gè)前提，就是其它各端口都要匹配。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)，古箏，它的每一根弦在特定的長度和張力下，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)方向的張力最大。中間擺動(dòng)最大，但振動(dòng)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(diǎn)的電壓最?。妷翰ü龋?。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)的張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。我們在實(shí)際中不難發(fā)現(xiàn)，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)十分復(fù)雜、混亂，即使振動(dòng)起來，各點(diǎn)對空氣的推動(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(dòng)點(diǎn)要選在天線的適當(dāng)位置。如果驅(qū)動(dòng)點(diǎn)不恰當(dāng)而天線與信號頻率諧振，效果會(huì)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(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(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絕對為1時(shí)，業(yè)余電臺(tái)天線最重要的調(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需要在天線的饋電端測量。但天線饋電點(diǎn)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(gè)天線系統(tǒng)的VSWR。當(dāng)天線本身的阻抗確實(shí)為50歐姆純電阻、電纜的特性阻抗也確實(shí)是50歐姆時(shí)，測出的結(jié)果是正確的。當(dāng)天線阻抗不是50歐姆時(shí)而電纜為50歐姆時(shí)，測出的VSWR值會(huì)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(shí)、而且電纜損耗可以忽略不計(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(huì)比天線的實(shí)際VSWR低。所以，測量VSWR時(shí)，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(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(jì)算？是否會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)諧振點(diǎn)？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(gè)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(diǎn)加以驅(qū)動(dòng)，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(fèi)的力不同，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的阻抗比較高一些，但是諧振頻率仍舊是一個(gè)，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(dòng)點(diǎn)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(shí)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(huì)使諧振時(shí)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(huì)變高，一定程度上影響VSWR，但是實(shí)際發(fā)射效果還不至于有十分明顯的惡化。QRPer不必苛求VSWR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分量時(shí)，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(shí)，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(shí)，會(huì)自動(dòng)降低驅(qū)動(dòng)功率，所以燒末級的危險(xiǎn)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(shí)小到幾乎沒有燒末級的可能性。移動(dòng)運(yùn)用時(shí)要將便攜的臨時(shí)天線調(diào)到VSWR＝1卻因?yàn)榄h(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(tái)。后來做了一個(gè)小天調(diào)，把VSWR調(diào)到1，但對比試驗(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(tái)，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(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(gè)條件，需要做到兩點(diǎn)：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(diǎn)。一些國外雜志文章在介紹天線時(shí)經(jīng)常給出VSWR的曲線。有時(shí)會(huì)因此產(chǎn)生一種錯(cuò)覺，只要VSWR＝1，總會(huì)是好天線。其實(shí)，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(gè)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(gè)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