如何理解天线驻波比

来源:电子工程专辑

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?

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。

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。

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。

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。

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。在阻抗圆图上,每一个VSWR数值都是一个圆,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。

天线除了收发信号以外,还能做什么?

无人机爱好和业余无线电爱好算是近亲了,除了一直“借用”GHz级别业余段频谱以外,很多无人机应用都和无线电有着千丝万缕的联系。不少火腿也“发烧”于无人机爱好。不过现在困扰无人机的一点在于电池续航,想要玩得痛快就要有充沛的电力,你猜无线电爱好者是怎么解决的?

天线除了收发信号以外,还能做什么?

N6GN采用了一种无线充电技术来传输电力。这和我们熟悉的无线充电技术既有相同之处又有不同之处——用于手机和小功率电器的无线充电技术采用电磁感应技术,而这种方式采用的无线电波输电的技术则更加类似于我们正常玩电台时所采用的方式。无线电波携带的能量能够被无人机上所携带的天线所接收,并转化为能量。一个主要是磁而另一个主要是电磁波。

天线除了收发信号以外,还能做什么?

电磁波也携带有能量,这是我们所已经了解的。而在N6GN所设计的方案中,他同样通过一根天线将携带有能量的UHF电波或微波发射出去。而通过无人机上天线的接收、整流和降压,这些能量能够供无人机使用。据悉,现在的试验设备已经能够在一根0.32mm的导线上以200瓦的功率传输电能并成功被对方接收还原。

天线除了收发信号以外,还能做什么?

左侧为电源,右侧为RF信号产生器

虽然我们平常使用电台也有着类似的能量变换、发射和接收的过程,但想要用它输电?还缺少很多实践和研究,如何能够使得能量尽量集中,在接收端获得尽可能多的能量是接下来的研究重点,不管怎么说, 无线电爱好者永远是最富有发明精神的一个团体!

出处:《现代通信》杂志公众号【CQ现代通信

火腿偏方:换个天线,噪声减半?

“噪声减半”是一个夸张的说法,但是按照这样的方式来做,短波接收的效果会有一定的改善,要怎么做呢?

火腿偏方:换个天线,噪声减半?

KAJ第一次体验到这个现象纯属一个意外。当时我正在水边架台,使用PAC-12拉杆GP天线。当我调整天线谐振于14兆的时候,无意中切换频段至7兆频率。在频带上听到了很多电台,其背景噪声非常小。可当我将天线谐振于7兆频段上时,背景噪声却又淹没了信号。而14兆上,背景噪声小了下去,信号的声音清晰可见。

后来我了解到,并不是只有我一个人体验到了这个现象。很多朋友居住在一个背景噪声非常吵闹的环境里。很多噪音源都是火腿一个人难以控制的。在噪声的“陪衬”下,我们只能和一些信号非常强的电台进行通联。而更多的电台信号则被埋没在噪声下面。听不到自然就没有机会与其通联!利用这种现象,我们可以做些什么呢?

火腿偏方:换个天线,噪声减半?

实际上,使用另一只不谐振于当前的工作频率的天线作为接收,可以有效地提高你的收听体验。天线在谐振于工作频率时,其接收的效果更强。但接收最好的情况下,很多较小的噪声也会被接收,并进入接收机,产生较高的背噪水平。如果你有两根相同的天线(或者一根可以),可以试着将一根调谐到欲工作的频段,而另一根调谐到其他的频段上去。进行一次AB测试你就能听出区别。

在正常使用中,你可以准备两根天线并使用电台或切换器的切换功能,在谐振的天线上进行发射并用另一根天线接收。我们来看一看HL1ZIX如何使用自己的17米、20米两支天线来完成这样的操作,注意切换天线前后的背噪对比!

屋顶上的正V——室外天线架设纪实

本文中正V天线架设于2013年,曾经整理后投稿《CQ现代通信》,于2013年第四期
发表。

收来了一台健伍TK-80短波机, 想要实现两年多的短波梦。天气正好,周末约了几个本地HAM一起帮我架设短波天线。730正V天线安装要求离地面(楼面)起最低4-6米。根据BH3BWA/4的一些建议参考,结合自己的想法加工了天线的底座。这里把天线架设过程整理出来与朋友们分享。

材料准备

材料准备
天线主梁:10cm宽的槽钢2米,
底座支架:1.2寸的镀锌钢管4.3米
成本:73元
天线主梁钢管BH3BWA/4给我的建议是1.2—1.5寸的镀锌钢管,越粗的钢管硬度越高,站立起来摆动也越小。特别要求用不容易生锈的镀锌管。

 

切割材料

切割材料
槽钢总长2米长。分别截成0.7米两段,0.3米两段,无余料。
其中一段0.7米槽钢做立杆,一段需切掉两个5cm立边(参考下图打孔槽钢左端),保证后面焊接面的衔接。

钻孔

钻孔
切割好的材料先钻孔。固定用直径8mm的膨胀螺丝,外面的壳直径12mm,所以四个腿边上打上直径12mm的孔。
立柱4个8mm直径的U型卡,打8个直径8.5mm的孔。

焊接

焊接
将一段0.7米和两段0.3米焊接成一个边长0.7米的十字(参考下图)。
需要注意焊接面要彻底烧透,做到没有砂眼和漏焊。这将决定天线撑杆将来使用的安全性。

焊接好的天线座地面

焊接好的天线座地面

焊接立杆

焊接立杆
做立杆的一段裁掉槽钢界面两个立边个5cm,插入底座对齐四周焊接牢靠。

打磨除锈

打磨除锈
用砂轮机抹掉焊接的残渣和毛刺,除去槽钢表面氧化的锈迹。

打磨除锈2

打磨除锈
去掉钢材表面各个面上的锈迹

防锈处理

防锈处理
底座钢材表面刷防锈漆。

安装天线主撑杆上的天线

安装天线主撑杆上的天线
放到状态将730正V天线固定在主撑杆上

搬运底座压载物

搬运底座压载物

提别提示:图中方法吊运用于底座压载的空心砖块非常危险。
楼顶施工和爬高作业一定要系安全绳。这种没有护栏的情况应有另一名同伴在
身后做安全保护。

底座压载

底座压载
天线主撑杆较长,风阻力推动力背较长。为保持底部稳定,除用螺栓与楼顶固定外,还应用重物压载。如有条件最好单独浇筑体积足够的混凝土底座。

安装主立杆

安装主立杆
将天线主立杆固定在底座上。

 提别提示:图中这种单人爬高工作非常危险。类似这种登高作业,务必系安带,并有
其他同伴在旁边保护。

天线主体安装完成

天线主体安装完成
机械连接固定完毕,最后再连接电缆馈线。注意连接插接头的防水处理。

风绳地锚

风绳地锚
仅固定天线底座是不够的。一定要在天线主杆高度1/3-1/4处加固3条风绳到地面固定。
地锚应固定牢靠,并有一定的松紧调整范围。

风绳地锚2

风绳地锚
3条风绳间隔120度均匀固定在3个地锚点。风绳于地面夹角原则上不大于60度。

特别提示:天线独立架设在屋顶,受到天气环境影响存安全风险较大。读者应根据
天线架设地点气候状况,考虑加大底座面积尺寸,浇筑足够的混凝土底座,加强
风绳拉线的可靠性,保证出现极端大风天线不出现安全事故。