行波和行波天线.doc

漫谈驻波比
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。
在无线电通信中，天线与馈线的阻抗不匹配或天线与发信机的阻抗不匹配，高频能量就会产生反射折回，并与前进的部分干扰汇合发生驻波。为了表征和测量天线系统中的驻波特性，也就是天线中正向波与反射波的情况，人们建立了“驻波比”这一概念，

SWR=R/r=(1+K)/(1-K)
反射系数K=(R-r)/(R+r)
(K为负值时表明相位相反)
式中R和r分别是输出阻抗和输入阻抗。当两个阻抗数值一样时，即达到完全匹配，反射系数K等于0，驻波比为1。这是一种理想的状况，实际上总存在反射，所以驻波比总是大于1的。
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漫谈驻波比
摘自:《专业无线通信》传媒
      电压驻波比（VSWR）是射频技术中最常用的参数之一，用来衡量部件之间的匹配是否良好。业余无线电爱好者用电台进行联络之前，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。那么，什么是驻波？还有，如果VSWR接近1:1，当然好。但如果不能达到1，将会怎样呢？小到几天线才算合格？为什么老式电台上没有驻波表？
本文不打算重复很多无线电技术书籍中关于电压驻波比的理论叙述，只是想从感性认识的层面介绍一些驻波和行波的概念，再谈几个实用问题。
行波和行波天线
      电流在导线中流动的速度很快。在直流电路和低频交流电路中，流过导线某一截面的电流总是会在电路参数发生变化之前流过其它各截面，因此任何时刻一条导线上各截面电流的方向和大小是一样的。
不过，电流从一点流到另一点毕竟还是需要时间的。在高频电路中，在高频率交流电源的驱动下，电流、电压的大小和方向都变化得极快，前一时刻流过某点的电流刚刚来得及流到相邻段，该点电流的大小或方向已经随电源而发生改变，这样就造成同一时刻电路各点的电流和电压不再彼此相同。
      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”。
      如果我们把上述无穷长均匀长线的两臂向两边水平张开，就形成了一副无穷长的偶极天线，导线中的电流从无穷远处沿一臂流向电源，再从电源沿另一臂流向无穷远，方向连续一致。每一小段导线中的电流在周围空间产生电磁场，向四周传播，构成一副“行波天线”。从远处看，其中沿导线轴向传播的那部分能量由于相位关系正好互相叠加，因此这种行波天线的最大辐射方向是接近于轴向的，方向性很尖锐。
     当然，实际生活中无穷长的天线是不存在的。但是我们可以把上述天线架设得尽量长，例如每臂数倍于波长，同时在每一臂的端点对地联接一个吸收电阻，把传到端点的电流全部吸收掉，使到达端点的电流波永不回头，继续维持无穷长行波天线的工作方式，只是总长度短了很多。这样的行波天线的方向性和发射效率虽然比不上理想的无穷长行波天线，但是还是可以在一定程度上保持宽频带、高增益的特点。它的变种，例如菱形天线，曾经成为很多远程短波通信电台广泛采用。美国著名的业余电台W6AM也曾经拥有令人称羡的巨大的菱形天线场。   
      但是，行波天线只有做得很长才能取得较好效果，而业余无线电爱好者往往不具备足够的空间来架设行波天线，因而更多地采用驻波天线。  
驻波和驻波天线
      前面我们说到用等幅高频率交流电源驱动一对无穷长的均匀平行长线上的情况，由于导线无穷长，电源所激起的电流波（实际上还有电压波）会顺着导线向远处流动，永不回头。但是如果平行线的长度是有限的，那么末端边界就会破坏电流波和电压波的原来状态，例如如果开路末端的导线中电流永远是零，短路末端导线间的电压永远是零。这种边界状态会顺着长线反向影响到其他部分，扰乱原来的行波状态。这种扰乱也可以看作是从电源传输过来的能量因为不能继续传输下去、又没有可以刚好消耗完的地方，只能被反射回去。   
      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。   
驻波比
     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及标称阻抗
      业余无线电通信中测量VSWR最方便的仪表是“通过式驻波功率计”，常常简称“驻波表”。其实驻波表一般并不是直接去测量驻波分量和行波分量，而是一种可以测量和换算出VSWR值的特殊电桥。它是针对某种标称阻抗而设计的。      
      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，因此现代商品VSWR表多是按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
     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。     
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。在一种计算传输线和天线的工具－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。     
     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
      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。 

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和车载业余电台
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。      
     VHF/UHF车载天线受周围物体（包括车辆、建筑、人员）的影响，VSWR会经常随行车和停车位置而变化。
    HF车载鞭状天线的VSWR还会经常受到大地导电率等的影响。因此在安装车载业余电台时，过于苛求VSWR并没有太大现实意义。
     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