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浅谈阻抗与驻波-BI4PDD

最近在群里经常看到玩无线电的朋友抱怨:同样的天线,谁的机器5W通哪里,自己却做不到,谁谁谁的信号比自己清晰而自己抄收不到。其实影响最终使用效果的因素有很多。今天我就班门弄斧一次,从最基本的天馈系统需要注意的两大核心指标——阻抗匹配跟驻波比来发表下个人的意见。

图片来源本站与本文无关

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1,为什么我们要阻抗匹配?BI4PDD

能源的功能有两种情况:一是做为负载的能量,既我们说的电力电源;二是作为负载的信息源,既我们说的“信号源”;作为电力电源,我们希望电源的内阻越小越好,即内阻消耗小而输出高,也就是效率要高;例如供电系统,作为电源的发电机,变压器等要内阻小。作为信号源,我们要求输出的信号功率越大越好,例如我们要喇叭的声音“洪亮”。

2,什么时候电台的输出功率最大,既“喇叭”最响?

(1)在电台内阻一定的情况下,当负载的电阻大于电台时,且越来越大时,虽然内阻消耗的能量小于天线,但总信号功率下降,天线得到的信号功率要下降,用数学的观点说就是“减函数”;

(2)在电台内阻一定的情况下,当负载的电阻小于电台时,且越来越小时,虽然总信号功率上升,但内阻消耗的能量大于负载,天线得到的信号功率要下降,用数学的观点说就是“增函数”;

(3)在电台内阻一定的情况下,只有当天线的电阻等于内阻时,内阻消耗的能量等于负载的能量,天线得到的信号功率最大,用数学观点说就是“最大值”。

即最终功率的大小需要减去消耗的功率,不匹配的损失用“损失功率”表示,损失功率在不匹配的变换如下:

 

损失功率= 阻抗差值/阻抗总和=(R2-R1)/(R2+R1)

假设R2=75Ω   ;R1=50Ω,

损失功率=阻抗差值/阻抗总和 =(75-50)/(75+50)=20%

电台的收发电路与天线有着各自不同的阻抗,连接电台的电缆也有着特定的阻抗,当天线通过连接电缆与电台相连接时,天线和馈线之间,电台和馈线之间都必须有相同的阻抗。这是为什么呢?从功率角度讲,只有在负载(天线)的阻抗和信号源(电台)内阻相同时负载才能得到最大功率。


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那么既然阻抗匹配才能做到信号的最大化,不匹配的情况下信号的能量去哪了呢?这里我们就引出另外一个名词——驻波比。

驻波比怎么产生的呢?

只有负载阻抗与信号源阻抗完全匹配,才能最大化地把信号从信号源传送到负载。如果负载和信号源不能做到完全匹配,部分信号就会反射回信号源,产生前向波和反向波,这两个信号组合在一起就形成了驻波。驻波比(VSWR)是指驻波的最大电平和最小电平的比值,它的大小从1:1(完全匹配)到∞。

驻波比的计算公式是:

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)

公式中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。

驻波比的可接受范围

驻波比等于1时,表示馈线和天线的阻抗完全匹配,此时高频能量全部被天线辐射出去,没有能量的反射损耗;驻波比为无穷大时,表示全反射,能量完全没有辐射出去。但是我们无法做到100%的负载和信号源阻抗匹配,总会有部分信号不可避免地被天线反射回来,所以需要确定一个范围作为衡量可接受的驻波比的标准。不一定追求1.1以下的驻波比,小于等于1.5都是可以接受的范围,96%的都发射出去了。这里我整理了一个表格大家可以参考下;

驻波比  反射率
1.0  0.00%
1.1  0.23%
1.2  0.83%
1.3  1.70%
1.5  4.00%
1.7  6.72%
1.8  8.16%
2.0  11.11%
2.5  18.37%
3.0  25.00%
4.0  36.00%
5.0  44.44%
7.0  56.25%
10  66.94%
15  76.56%
20  81.86%

可见,驻波比相对于阻抗的失配影响也不是那么的大,通常情况下,我们都比较关注驻波比,很少关注阻抗的匹配。很多新手买的简易设备也只能查看天线的驻波情况,而来自于更深层次的阻抗却不太关注。往往阻抗的不匹配,才是高高在上的驻波比的根源。还有一些HAM,一味追求驻波比,宁肯用75欧姆驻波1.3的天线,也不愿意用50欧姆驻波1.5的天线。希望这篇帖子能起到一点点的帮助,让大家在业余无线电的路上不再迷茫。

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