驻波比表和功率计的原理和实践 - 矿石收音机__ 首页.doc

驻波比表和功率计的原理和实践 No.261995 Mar. p89~97, by 郭允晟 / BA1GYS, 北京 100013 和平里 中国计量研究院 无线电处  ? ? 对于一位 HAM 来讲，「驻波表」和「功率计」两种测量仪表，是每天都离不开的装备。在 QSO 时，选定频率之后最关心的是现在的 SWR 正常否？有多少功率发射出去？因此可见，深入理解这两种仪表的原理与使用方法，是无线电业余家最基本的知识。  基本概念 图 1 图 2：沿传输线各点电压分布。 ? ? 天线系统的 SWR 的大小，对发射效率有很大影响；SWR 大，意味着有大的功率被反射回发射机，使电台效率变低，甚至使发射机末级损坏。可以说天线系统是一个发射台的瓶颈，不可忽视。 ? ? 衡量功率反射大小的量称为「反射系数」，常用Γ (音 gamma) 或ρ (音 rho) 表示。为了讨论简单起见，我们假设负载阻抗为纯阻性的。反射系数定义为： ? ? ρ= (反射电压波) / (入射电压波) …… (1) ? ? ρ= (RL-Ro)/(RL+Ro) …… (2) ? ? 可见，当 Ro=RL，则ρ =0，称为匹配状态。当 RLRo，ρ为正值；RLRo 时，ρ为负值。如果 RL 为开路或短路，则ρ分别等于 +1 或 -1，称为「全反射」。 ? ? 用反射系数可以完善地描述传输系统的匹配状态，但用驻波比 (SWR) 更为简单和直观。我们知道，在匹配状态下，高频电磁能量全部流入负载，不存在反射。这时，沿传输线各个位置上的电压振幅相等，不存在驻波，称为「行波状态」。而在失配时，由于存在反射波，反射波与正向波的叠加结果，就会在线上的各个点的振幅，存在有规律的起伏，称为驻波状态，如图 2 所示。 ? ? 驻波比定义为： ? ? SWR=Umax/Umin …… (3) ? ? SWR = (U入+U反)/(U入-U反) …… (4) ? ? SWR = (√P入+√P反)/(√P入-√P反) ……(5) ? ? 显然地，当无反射时，SWR= 1，当全反射时 SWR= ∞。 ? ? SWR = (1+|ρ|)/(1-|ρ|) …… (6) ? ? SWR = RL/Ro RLRo 时 …… (7) ? ? SWR = Ro/RL RoRL 时 …… (8) ? ? 由公式可见，当 Ro=50 Ω时， RL= 100 Ω或为 25 Ω，都会使 SWR=2。当 RL=3Ro 或 1/3Ro 都会使 SWR=3。 ? ? 公式 (6) 还可改写为： ? ? ρ=(SWR-1)/(SWR+1) …… (9) ? ? 可见，当 SWR=2 时，ρ = 1/3，这相当于有 1/3 的入射电压被失配的负载反射回来。 ? ? 测量 SWR 的方法有「测量线法」、「反射计法」、「网络分析仪法」及「高频阻抗电桥法」等，但这些仪器往往不适于用于测量天线馈线系统。因此专门用于测量天馈系统的驻波比及功率计就应运而生，成为测量仪器家族中一个分支。本文的目的就是综述这种仪器的原理、制做、校准及其使用方法。 ? ? 驻波表主要由三个部分所组成：「定向耦合器」、「检波器」和「电表电路」。现分别讨论如下：  定向耦合器 ? ? 定向耦合器是一个三端口器件或电路：一个输入口、一个输出口和一个耦合输出口。理想的耦合输出口只对来自某一方向的电磁能量进行取样，而对另一方向来的电磁能量不敏感。良好的定向耦合器的取样量 (称为耦合系数 )，应该在使用频率范围内是「平坦的」 (flatness)。 ? ? 方向性 (Directivity) 也是定向耦合器的一个重要指针，它是指耦合输出口对来自非取样方向的信号不敏感的程度。这一指针直接影响 SWR 的最小可测 SWR 值。例如具有 20dB 的方向性的定向耦合器就会将 1:1 的 SWR 测成 1.22:1。而具有 30dB 方向性时，则只将 1:1 的 SWR 看成为 1.07:1。 ? ? 常用于 SWR 表上的定向耦合器，基本上有两种类型：一种是由集总参数组件组成的类似于高频阻抗电桥的方式；另一种是利用分布参数电路的微带线 (Microstripline) 方式。前者具有较好的频率特性，在相当宽的频带内定向耦合系数基本桓定，但因受分立组件频率特性的限制，未能使用到超高频频带，而只在 HF 频段 (15-60MHz) 被广泛使用。 ? ? 后者被人称为 Monimatch 方式，它因系由微带线组成，因此具有极佳的阻抗连续性，而且电路十分简单，其缺点是对频率变化敏感，这对于测量 SWR 影响尚小，但对于测量功率，则会产生频率响应误差。因此大都用此种方式于 VHF 及 UHF 中的某一顿段中制成指定频段的仪