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天线驻波比计算公式(天线驻波比大的处理方法)

导语:天线驻波比(VSWR)的逐层全解

天线有众多重要参数,我们之前已经介绍了方向图、极化、增益等,本期我们将围绕天线的另一个参数驻波比展开,它不是一种固定参数,无论是在使用前还是使用中,这个参数的变化关乎着天线的实际表现,我们进一步对天线驻波比逐一详解。

天线驻波比,缩写为VSWR和SWR。天线的电压驻波比是把天线作为无耗传输线的负载时,在沿传输线产生的电压驻波图形上,其最大值与最小值之比。

驻波比的产生,是由于入射波能量传输到天线输入端并未被全部吸收(辐射)产生的反射波迭加而形成的。VSWR越大,反射越大,匹配越差。在移动通信系统中,一般要求驻波比小于1.5。

我们可以直接看上图。驻波比是一个数值,用来表示天线和电波发射机是否匹配。如果 SWR 的值等于1,则表示发射传输给天线的电波没有任何反射,全部发射出去,这是最理想的情况。如果SWR 值大于1, 则表示有一部分电波被反射回来,最终变成热量,使得馈线升温。被反射的电波在发射台输出口也可产生相当高的电压,有可能损坏发射机。

天线驻波比的意义是天馈线与发射机匹配程度的指标。不一定追求1.1以下的驻波比,一般1.5以下也够了。

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。

除了这个公式外,下面这个也可以定义驻波比:

VSWR=Vmax / Vmin

馈线上波腹电压/馈线上波节电压,是指驻波最大电平和最小电平的比值,大小从1:1(完全匹配)到无限。

作为天线的一个参数,当然需要了解如何进行测量,在这里介绍一种较为简易的办法,适合在一般条件下进行测试。

要测量驻波比需要一台扫频仪,接法如图1,先将馈线的终端(近天线系统一端)短路,此时由于扫频仪输出的信号在馈线的终端形成全反射,观察其全反射波形如图2曲线的最大幅度为a,然后将天线接入馈线的终端,此时扫频仪上在工作频率范围内观察到的最大幅度为b如图3,先求出反射系数P=b/a,然后可用式S=1+P/1-P求出驻波比,式中的S表示驻波比。

测试出来的驻波比,会有一定的范围,下面可以可根据不同的数值,总结归纳的一般情况下此数值的实际意义。

根据第二部分的公式,天线的驻波比与其阻抗密切相关,在这里我们一并进行解析。

我们都知道天线系统由不同部分组成,例如收发信机和馈线、馈线和天线、天线和自由空间之间都会有阻抗差异,射频信号经过这些结合处的时候,如果差异巨大,称之为阻抗失配,表示一部分的能量被反射回去。目前一般使用50欧姆的馈线进行发射信号,这样信号会完全通过天线辐射出去。

天线驻波比和阻抗的关系也很清楚,在阻抗失配的时候,馈线上会形成反射波,反向信号和正向信号叠加后,电波就像驻留在天线上一样,称之为驻波。此时可以测出电波最大能量与最小能量的比值,称之为驻波比(SWR),通常用电压驻波比VSWR来表示。

因为驻波比也是天线的考量之一,但是天线的好坏并不能单看驻波比,天线驻波比很低并不意味着天线性能很好,还需要考虑到其他参数。

例如一部分会觉得VSWR=1都会是好天线,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。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。

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