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讓你輕松理解天線駐波比!信號(hào)與頻譜知識(shí),都在這里了!

發(fā)布時(shí)間:2021-04-15 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】電壓駐波比(VSWR)是射頻技術(shù)中最常用的參數(shù),用來衡量部件之間的匹配是否良好。當(dāng)業(yè)余無線電愛好者進(jìn)行聯(lián)絡(luò)時(shí),當(dāng)然首先會(huì)想到測(cè)量一下天線系統(tǒng)的駐波比是否接近1:1,    如果接近1:1,當(dāng)然好。常常聽到這樣的問題:但如果不能達(dá)到1,會(huì)怎樣呢?駐波比小到幾,天線才算合格?為什么大小81這類老式的軍用電臺(tái)上沒有駐波表?
 
VSWR及標(biāo)稱阻抗
 
發(fā)射機(jī)與天線匹配的條件是兩者阻抗的電阻分量相同、感抗部分互相抵消。如果發(fā)射機(jī)的阻抗不同,要求天線的阻抗也不同。在電子管時(shí)代,一方面電子管本輸出阻抗高,另一方面低阻抗的同軸電纜還沒有得到推廣,流行的是特性阻抗為幾百歐的平行饋線,因此發(fā)射機(jī)的輸出阻抗多為幾百歐姆。而現(xiàn)代商品固態(tài)無線電通信機(jī)的天線標(biāo)稱阻抗則多為50歐姆,因此商品VSWR表也是按50歐姆設(shè)計(jì)標(biāo)度的。
 
如果你擁有一臺(tái)輸出阻抗為600歐姆的老電臺(tái),那就大可不必費(fèi)心血用50歐姆的VSWR計(jì)來修理你的天線,因?yàn)槟菢臃炊鴰偷姑?。只要設(shè)法調(diào)到你的天線電流最大就可以了。
 
VSWR不是1時(shí),比較VSWR的值沒有意義
 
正因?yàn)閂SWR除了1以外的數(shù)值不值得那么精確地認(rèn)定(除非有特殊需要),所以多數(shù)VSWR表并沒有象電壓表、電阻表那樣認(rèn)真標(biāo)定,甚至很少有VSWR給出它的誤差等級(jí)數(shù)據(jù)。由于表內(nèi)射頻耦合元件的相頻特性和二極管非線性的影響,多數(shù)VSWR表在不同頻率、不同功率下的誤差并不均勻。
 
VSWR都=1不等于都是好天線 
 
影響天線效果的最重要因素:諧振 
 
讓我們用弦樂器的弦來加以說明。無論是提琴還是古箏,它的每一根弦在特定的長(zhǎng)度和張力下,都會(huì)有自己的固有頻率。當(dāng)弦以固有頻率振動(dòng)時(shí),兩端被固定不能移動(dòng),但振動(dòng)方向的張力最大。中間擺動(dòng)最大,但振動(dòng)張力最松弛。這相當(dāng)于自由諧振的總長(zhǎng)度為1/2波長(zhǎng)的天線,兩端沒有電流(電流波谷)而電壓幅度最大(電壓波腹),中間電流最大(電流波腹)而相鄰兩點(diǎn)的電壓最?。妷翰ü龋?。
 
我們要使這根弦發(fā)出最強(qiáng)的聲音,一是所要的聲音只能是弦的固有頻率,二是驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的張力與擺幅之比要恰當(dāng),即驅(qū)動(dòng)源要和弦上驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的阻抗相匹配。具體表現(xiàn)就是拉弦的琴弓或者彈撥的手指要選在弦的適當(dāng)位置上。我們?cè)趯?shí)際中不難發(fā)現(xiàn),拉弓或者撥弦位置錯(cuò)誤會(huì)影響弦的發(fā)聲強(qiáng)度,但稍有不當(dāng)還不至于影響太多,而要發(fā)出與琴弦固有頻率不同的聲響卻是十分困難的,此時(shí)弦上各點(diǎn)的振動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜、混亂,即使振動(dòng)起來,各點(diǎn)對(duì)空氣的推動(dòng)不是齊心合力的,發(fā)聲效率很低。
 
天線也是同樣,要使天線發(fā)射的電磁場(chǎng)最強(qiáng),一是發(fā)射頻率必須和天線的固有頻率相同,二是驅(qū)動(dòng)點(diǎn)要選在天線的適當(dāng)位置。如果驅(qū)動(dòng)點(diǎn)不恰當(dāng)而天線與信號(hào)頻率諧振,效果會(huì)略受影響,但是如果天線與信號(hào)頻率不諧振,則發(fā)射效率會(huì)大打折扣。
 
所以,在天線匹配需要做到的兩點(diǎn)中,諧振是最關(guān)鍵的因素。
 
在早期的發(fā)信機(jī),例如介紹的71型報(bào)話機(jī)中,天線電路只用串聯(lián)電感、電容的辦法取得與工作頻率的嚴(yán)格諧振,而進(jìn)一步的阻抗配合是由線圈之間的固定耦合確定死的,在不同頻率下未必真正達(dá)到阻抗的嚴(yán)格匹配,但是實(shí)際效果證明只要諧振就足以好好工作了。 
 
因此在沒有條件做到VSWR絕對(duì)為1時(shí),業(yè)余電臺(tái)天線最重要的調(diào)整是使整個(gè)天線電路與工作頻率諧振。
 
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天線的駐波比和天線系統(tǒng)的駐波比
 
天線的VSWR需要在天線的饋電端測(cè)量。但天線饋電點(diǎn)常常高懸在空中,我們只能在天線電纜的下端測(cè)量VSWR,這樣測(cè)量的是包括電纜的整個(gè)天線系統(tǒng)的VSWR。微信公眾號(hào):濾波器,當(dāng)天線本身的阻抗確實(shí)為50歐姆純電阻、電纜的特性阻抗也確實(shí)是50歐姆時(shí),測(cè)出的結(jié)果是正確的。
 
當(dāng)天線阻抗不是50歐姆時(shí)而電纜為50歐姆時(shí),測(cè)出的VSWR值會(huì)嚴(yán)重受到天線長(zhǎng)度的影響,只有當(dāng)電纜的電器長(zhǎng)度正好為波長(zhǎng)的整倍數(shù)時(shí)、而且電纜損耗可以忽略不計(jì)時(shí),電纜下端呈現(xiàn)的阻抗正好和天線的阻抗完全一樣。但即便電纜長(zhǎng)度是整倍波長(zhǎng),但電纜有損耗,例如電纜較細(xì)、電纜的電氣長(zhǎng)度達(dá)到波長(zhǎng)的幾十倍以上,那么電纜下端測(cè)出的VSWR還是會(huì)比天線的實(shí)際VSWR低。
 
所以,測(cè)量VSWR時(shí),尤其在UHF以上頻段,不要忽略電纜的影響。
 
不對(duì)稱天線
 
我們知道偶極天線每臂電氣長(zhǎng)度應(yīng)為1/4波長(zhǎng)。那么如果兩臂長(zhǎng)度不同,它的諧振波長(zhǎng)如何計(jì)算?是否會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)諧振點(diǎn)?
   
如果想清了上述琴弦的例子,答案就清楚了。系統(tǒng)總長(zhǎng)度不足3/4波長(zhǎng)的偶極天線(或者以地球、地網(wǎng)為鏡象的單臂天線)只有一個(gè)諧振頻率,取決于兩臂的總長(zhǎng)度。兩臂對(duì)稱,相當(dāng)于在阻抗最低點(diǎn)加以驅(qū)動(dòng),得到的是最低的阻抗。兩臂長(zhǎng)度不等,相當(dāng)于把弓子偏近琴馬拉弦,費(fèi)的力不同,驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的阻抗比較高一些,但是諧振頻率仍舊是一個(gè),由兩臂的總長(zhǎng)度決定。如果偏到極端,一臂加長(zhǎng)到1/2波長(zhǎng)而另一臂縮短到0,驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗增大到幾乎無窮大,則成為端饋天線,稱為無線電發(fā)展早期用在汽艇上的齊柏林天線和現(xiàn)代的1/2波長(zhǎng)R7000垂直天線,當(dāng)然這時(shí)必須增加必要的匹配電路才能連接到50歐姆的低阻抗發(fā)射機(jī)上。
   
偶極天線兩臂不對(duì)稱,或者兩臂周圍導(dǎo)電物體的影響不對(duì)稱,會(huì)使諧振時(shí)的阻抗變高。但只要總電氣長(zhǎng)度保持1/2波長(zhǎng),不對(duì)稱不是十分嚴(yán)重,那么雖然特性阻抗會(huì)變高,一定程度上影響VSWR,但是實(shí)際發(fā)射效果還不至于有十分明顯的惡化。
 
QRPer不必苛求VSWR
 
當(dāng)VSWR過高時(shí),主要是天線系統(tǒng)不諧振時(shí),因而阻抗存在很大電抗分量時(shí),發(fā)射機(jī)末級(jí)器件可能需要承受較大的瞬間過電壓。早期技術(shù)不很成熟時(shí),高VSWR容易造成射頻末級(jí)功率器件的損壞。因此,將VSWR控制在較低的數(shù)值,例如3以內(nèi),是必要的。
   
現(xiàn)在有些設(shè)備具有比較完備的高VSWR保護(hù),當(dāng)在線測(cè)量到的VSWR過高時(shí),會(huì)自動(dòng)降低驅(qū)動(dòng)功率,微信公眾號(hào):濾波器,所以燒末級(jí)的危險(xiǎn)比20年以前降低了很多。但是仍然不要大意。
   
不過對(duì)于QRP玩家講來,末級(jí)功率有時(shí)小到幾乎沒有燒末級(jí)的可能性。移動(dòng)運(yùn)用時(shí)要將便攜的臨時(shí)天線調(diào)到VSWR=1卻因?yàn)榄h(huán)境的變幻而要絞盡腦汁。這時(shí)不必太喪氣。1988-1989年筆者為BY1PK試驗(yàn)4W的CW/QRP,使用長(zhǎng)度不足1.5米的三樓窗簾鐵絲和長(zhǎng)度為1.5米左右的塑料線做饋線,用串并電容的辦法調(diào)到天線電流最大,測(cè)得VSWR為無窮大,卻也聯(lián)到了JA、VK、U9、OH等電臺(tái)。后來做了一個(gè)小天調(diào),把VSWR調(diào)到1,但對(duì)比試驗(yàn)中遠(yuǎn)方友臺(tái)報(bào)告說,VSWR的極大變化并沒有給信號(hào)帶來什么改進(jìn),好像信號(hào)還變?nèi)趿诵?,可能本來就微弱的信?hào)被天調(diào)的損耗又吃掉了一些吧。
   
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總之,VSWR道理多多。既然有了業(yè)余電臺(tái),總是免不了和VSWR打交道,不妨多觀察、積累、交流各自的心得吧。
   
天線系統(tǒng)和輸出阻抗為50歐的發(fā)信機(jī)的匹配條件是天線系統(tǒng)阻抗為50歐純電阻。要滿足這個(gè)條件,需要做到兩點(diǎn):
 
第一,天線電路與工作頻率諧振(否則天線阻抗就不是純電阻);
 
第二,選擇適當(dāng)?shù)酿侂婞c(diǎn)。    
 
一些國(guó)外雜志文章在介紹天線時(shí)經(jīng)常給出VSWR的曲線。有時(shí)會(huì)因此產(chǎn)生一種錯(cuò)覺,只要VSWR=1,總會(huì)是好天線。微信公眾號(hào):濾波器,其實(shí),VSWR=1只能說明發(fā)射機(jī)的能量可以有效地傳輸?shù)教炀€系統(tǒng)。但是這些能量是否能有效地輻射到空間,那是另一個(gè)問題。一副按理論長(zhǎng)度作制作的偶極天線,和一副長(zhǎng)度只有1/20的縮短型天線,只要采取適當(dāng)措施,它們都可能做到VSWR=1,但發(fā)射效果肯定大相徑庭,不能同日而語。做為極端例子,一個(gè)50歐姆的電阻,它的VSWR十分理想地等于1,但是它的發(fā)射效率是0。    而如果VSWR不等于1,譬如說等于4,那么可能性會(huì)有很多:天線感性失諧,天線容性失諧,天線諧振但是饋電點(diǎn)不對(duì),等等。在阻抗園圖上,每一個(gè)VSWR 數(shù)值都是一個(gè)園,擁有無窮多個(gè)點(diǎn)。也就是說,VSWR數(shù)值相同時(shí),天線系統(tǒng)的狀態(tài)有很多種可能性,因此兩根天線之間僅用VSWR數(shù)值來做簡(jiǎn)單的互相比較沒有太嚴(yán)格的意義。    天線VSWR=1說明天線系統(tǒng)和發(fā)信機(jī)滿足匹配條件,發(fā)信機(jī)的能量可以最有效地輸送到天線上,匹配的情況只有這一種。    本文不打算重復(fù)很多無線電技術(shù)書籍中關(guān)于電壓駐波比的理論敘述,只是想從感性認(rèn)識(shí)的層面談幾個(gè)實(shí)用問題。
 
信號(hào)與頻譜知識(shí),都在這里了!
 
1 信號(hào)簡(jiǎn)介
 
信號(hào)(singal)簡(jiǎn)介
 
我們?cè)谏钪薪?jīng)常遇到信號(hào)。比如說,股票的走勢(shì)圖,心跳的脈沖圖等等。在通信領(lǐng)域,無論是的GPS、手機(jī)語音、收音機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)通信,我們發(fā)送和接收的都是信號(hào)。最近,深圳地鐵通信系統(tǒng)疑似與WiFi信號(hào)沖突,也就是地鐵的天線收到了WiFi的信號(hào),而誤把該信號(hào)當(dāng)作地鐵通信信號(hào)。我們的社會(huì)信息化,是建立在信號(hào)的基礎(chǔ)上的。
 
信號(hào)是隨著時(shí)間或者空間變化的序列。在信號(hào)處理中,我們常用“信號(hào)”來特指一維信號(hào),也就是只隨單一一個(gè)時(shí)間或空間維度變化的序列,這樣的信號(hào)在數(shù)學(xué)上可以表示成f(t)或者f(x)這樣一個(gè)函數(shù)。與一維信號(hào)形成對(duì)應(yīng)的是多維信號(hào),比如說圖像是二維信號(hào),它隨x,y兩個(gè)空間維度變化,從數(shù)學(xué)上表示成為f(x, y)。下面在沒有特別聲明的情況下,都使用“信號(hào)”來代指一維信號(hào)。
 
盡管信號(hào)的使用如此廣泛,但信號(hào)從數(shù)學(xué)意義上來并沒有什么神秘的地方,只是普通的序列(函數(shù))。信號(hào)處理的方法可以通用于任何一個(gè)領(lǐng)域的信號(hào)(無論是通信、金融還是其他領(lǐng)域),這也是信號(hào)處理的魅力所在。
 
2 簡(jiǎn)諧波
 
簡(jiǎn)諧波(simple harmonic)
 
 
正弦波(sine wave)和余弦波(cosine wave)統(tǒng)稱為簡(jiǎn)諧波。簡(jiǎn)諧波是自然界最常見的波動(dòng)。
 
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正弦波
 
正弦波可以寫成函數(shù)的形式: 
 
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可以看到,一個(gè)簡(jiǎn)諧波三個(gè)參數(shù),振幅(A, amplitude)、頻率(f,frequency)、相位(phi, phase)。這三個(gè)參數(shù)分別控制正弦波的不同特征。通過調(diào)整它們,我們可以得到不同的正弦波信號(hào)。 
 
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左上:原始           右上:2倍振幅 
 
左下:2倍頻率       右下:相位移動(dòng)
 
可以看到,頻率高,“山峰”越密集。振幅高,“山峰”越高。相位改變,“山峰”的位置左右移動(dòng)。(朋友說我是"用音量控制音調(diào)":唱歌本應(yīng)該改變頻率高低的時(shí)候,卻在改變振幅的高低。)
 
余弦波(cosine wave)函數(shù)形式與正弦波類似,用cos表示。我們可以通過改變正弦波來從正弦波獲得余弦波。
 
3 傅立葉變換
 
傅立葉變換 (Fourier Transform)
 
簡(jiǎn)諧波雖然簡(jiǎn)單,但對(duì)信號(hào)處理具有重要意義。傅立葉是一名工程師,他發(fā)現(xiàn),任何信號(hào)實(shí)際上都可以通過簡(jiǎn)諧波相加近似得到。也就是傅立葉定理(Fourier inversion theorem):任何一個(gè)信號(hào)都可以由簡(jiǎn)諧波相加得到。因此,復(fù)雜的信號(hào)可以分解成為許多個(gè)簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)諧波。一個(gè)信號(hào)由多個(gè)頻率的簡(jiǎn)諧波相加得到。組成信號(hào)的某個(gè)簡(jiǎn)諧波,稱為信號(hào)的一個(gè)分量(component)。
 
比如下圖,顯示了我們?nèi)绾斡煤?jiǎn)諧波的疊加來不斷趨近藍(lán)色的信號(hào):
 
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來自Wikipedia
 
傅立葉變換是一套固定的計(jì)算方法,用于算出信號(hào)的各個(gè)分量(也就是上面的an,bn)。在信號(hào)處理時(shí),可以將信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換,轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)諧波的組合。通過分別控制各個(gè)頻率上的簡(jiǎn)諧波分量,我們可以更加有效的進(jìn)行信號(hào)處理。比如說,我們通信的時(shí)候可以使用高頻的簡(jiǎn)諧波信號(hào)。但是接收信號(hào)的天線可能會(huì)收到其他頻率的干擾信號(hào)。這個(gè)時(shí)候,我們可以對(duì)接收到的混合信號(hào)做傅立葉變換,只提取目標(biāo)高頻的分量。這是降低信號(hào)噪音的常用方法。傅立葉變換的過程有些復(fù)雜,但已經(jīng)有大量的程序可以幫你進(jìn)行。你所需要的只是輸入信號(hào),計(jì)算機(jī)會(huì)幫你算出它的各個(gè)分量。
 
比如說,如果信號(hào)f(x)是周期性的,我們可以將它變換成:
 
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也就是說,一個(gè)信號(hào)可以看做許多簡(jiǎn)諧波的和。上面的a,b是可以通過原信號(hào)求得的參數(shù)為:
 
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a, b代表了信號(hào)在各個(gè)頻率上的簡(jiǎn)諧波分量的強(qiáng)弱(以及相位)。這樣,信號(hào)就分解為了簡(jiǎn)諧波的和。由于簡(jiǎn)諧波比較容易理解,我們可以通過研究這些分量,來明白復(fù)雜信號(hào)背后的機(jī)制。
 
4 頻譜
 
頻譜(frequency spectrum)
 
通過傅立葉變換,我們可以得到一個(gè)信號(hào)f(t)的不同頻率的簡(jiǎn)諧波分量。每個(gè)分量的振幅,代表了該分量的強(qiáng)弱。將各個(gè)頻率分量的強(qiáng)弱畫出來,可以得到信號(hào)的頻譜。比如下圖是從每天降水序列中得到的頻譜:
 
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可以看到,以1年為周期的簡(jiǎn)諧波分量有一個(gè)明顯的高峰。也就是說,一年周期的分量有比較強(qiáng)。這是有物理原因的。因?yàn)榻邓偸且砸荒晁募緸橹芷谟幸?guī)律的變化。通過信號(hào)->Fourier Transform->頻譜,我們可以從簡(jiǎn)諧波分量的角度,理解復(fù)雜信號(hào)是由哪些簡(jiǎn)諧機(jī)制合成的。
 
圖像處理(Image Processing)
 
傅立葉變換同樣可用于多維信號(hào)。把傅立葉變換用于二維信號(hào),即圖像:
 
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左邊是二維信號(hào)(圖像,f(x,y))。黑白可以用數(shù)值表示,即信號(hào)值。右邊是二維圖像的頻譜。X軸表示x方向的頻率,Y軸表示y方向的頻率,黑白表示不同頻率分量的振幅強(qiáng)弱。在下面一行中,Lenna被故意加上了噪聲,并引起頻譜的相應(yīng)變化。頻譜的中心代表了低頻信號(hào)的振幅,頻譜遠(yuǎn)離中心的地方代表了高頻信號(hào)的振幅。我們下面和加入噪聲的圖像比較。
 
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Lenna和她的頻譜
 
現(xiàn)在,在圖像中加入噪聲??梢钥吹?,原圖像中各處增加了許多小“斑點(diǎn)”。這些斑點(diǎn)和原來的信號(hào)混合在一起。我們很難將一一指出這些噪音點(diǎn)。但另一方面,這些噪音又有一定的特征:這些噪音的空間尺度(即尺寸)很小。
 
這一對(duì)圖像噪音的理解,可以從頻譜中得到確認(rèn)。從右圖的頻譜中可以看到,高頻信號(hào)(非中心部分)明顯增強(qiáng)。高頻分量正對(duì)應(yīng)空間尺度小的信號(hào)。可見,噪聲在頻譜中,集中在高頻這一特定區(qū)域。這樣,在與原圖像混合在一起的噪聲,在頻譜上則和圖像區(qū)分開。通過高頻濾波技術(shù),就可以過濾掉噪聲。這也是圖像降噪的一大方法。
 
(如果對(duì)圖像處理有所了解,那么一定會(huì)知道Lenna的大名。她是一位閣樓(Playboy)女郎,但又是圖像處理界的女神。你可以搜索"Lenna full image"來找到全圖。Lenna現(xiàn)在是一名老太太了,她“見證”了圖像處理的發(fā)展。)
 
5 總結(jié)
 
信號(hào)可以分解為不同頻率的簡(jiǎn)諧波分量。這有助于我們更好的理解復(fù)雜的信號(hào)。傅立葉變換是信號(hào)處理(以及圖像處理)的基礎(chǔ)工具。通過傅里葉變換,我們可以獲得信號(hào)的頻譜。
 
頻譜為我們提供了理解信號(hào)的另一個(gè)視角。在頻率的世界里,我們可以發(fā)現(xiàn)很多原信號(hào)中一些可能被忽視的信息,比如降水的季節(jié)變化,比如增強(qiáng)的噪聲。
 
 
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