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2011-05-04  卖猫的小狗
驻波比的精辟论断,讲的非常通俗!
2006-10-12 21:51

如果我们用一个等幅高频率交流电源联接到一对无穷长的均匀平行长线上,那么靠近电源端的导线之中就会有同步于电源的高频交变电压和电流。就导线的每一截面而言,流过的电流都是幅度相同的高频交流电流,只是流过各截面的电流的时间相位不同。就整个导线而言,同一时刻各点的电流随离电源端的距离而呈正弦分布。看起来就像一个正弦电流波源源不断地从无穷远端沿一根导线留向电源,再从电源沿另一根导线流向无穷远端,我们把电流波的这种流动方式称为行波。如果两根平行导线的距离很近,由于其对称结构,同一时刻流过两根导线相对段的电流总是大小相等方向相对的,因此它们中间的电流在周围空间形成的电磁场互相抵消,不会传播到远处。所以这种均匀平行长线可以用来作为传输高频能量的传输线,或者叫馈线
如果我们把有限长度平行长线的两条导线向两边张开,就成为偶极天线。当偶极天线两臂的总长度等于半波长的整倍数时,天线达到谐振,这时电流电压在天线上正反向传播的分量在各处的叠加刚好形成一种特殊状态,即天线各点电压和电流的时间相位正好和电源电压及其供出的电流相同,只是各点的电压电流幅度不同,两端的电压最高、电流总是为零,中间的电流最大、电压总是为零。   
      
馈线或天线中各点电压电流同相位、每一点都有各自固定幅度的这种状态看起来好像是电压波、电流波不再沿导线移动,因此称为驻波状态。这样的天线就是驻波天线。驻波天线中,各段电流所产生的电磁场相位一致,在垂直于天线的远方互相叠加,在较短长度下取得较好的辐射效果。
 行波系统中,电流和电压简单地向一个方向以行波方式均匀传输,电流和电压的幅度分布与长度无关。我们希望用来传输信号的馈线是理想的行波系统。   
     
驻波系统中,依靠入射和反射能量的适当叠加,各点的电流和电压在时间上同相位、有固定的幅度分布。我们希望涌来辐射信号的天线是理想的驻波系统。驻波天线的任何一点都是纯电阻性质的馈电点,只是不同位置的纯电阻阻抗值不同。如果馈电点选择合适,送到天线的能量将全部被辐射出去,从馈电点流进去的只有行波。
     
但是在很多情况下由于设计或者施工不当,馈线和天线不能达到理想状态,收发信机到馈线、馈线到天线之间既有行波又有驻波。我们可以用电压驻波分量和行波分量的比值,即电压驻波比(VSWR)来描述这种不理想的程度。
VSWR都=1不等于都是好天线
一些国外杂志文章在介绍天线时经常给出VSWR的曲线来说明天线的带宽等特性。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。美国ARRL总部实验室橱窗里就有一个这样的假货商品,生产商声称是一种多频段天线匹配器,可以保证将任何天线以1:1的VSWR接到收发信机上,实际上环氧树脂封装的是一个50欧电阻。
影响天线效果的最重要因素:谐振
     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。  
     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。
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

 

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