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1、餘菱像逐CO AMATEUR RADIO MAGAZINE驻波比表和功率计的原理和实践No.261995 Mar. p8997, 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，甚至使发射刚且氐机末级损坏。可以说天线系统是一 个发射台
2、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r （音gamma） 或P （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：独岐Umw谗仔Uirin电压波）p=（反射电压波）/（入射關減P= (RL-Ro)/(RL+Ro)图2：沿传输线各点电压分布。可见，当Ro=RL，则P =0，称为匹配状态。当RLRo,P为正值；RLRo 时 (7)SWR = Ro/RL RoRL 时 (8)由公式可见，当Ro=50 Q时，RL= 100 Q或为25 Q,都会使SWR=2。当RL=3Ro或 1/3Ro 都会使 SWR=3 o公式 (6) 还可改写为：P=(SWR
3、-1)/(SWR+1)(9)可见，当SWR=2时，P = 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
4、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。
5、 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 的仪器。每个SWR表都具有两支定图3向耦合器。图每种SWR表都是先测出 正、反向功率，再求出SWR值， 因此这种表往往是SWR表又是功 率计。于是有人索兴称之为定向瓦 特表(Dire
6、c tio nal Wattmetter)。我们首先分析一个最简单 的定向耦合器：图3中，T1为电流互感器，其变比(即匝数比)为N。C1、C2为电容分压器，C2上 的电压与传输线上的电压同相位，且其值为：U入* C1/(C1+C2)电阻R上的电压为：R * U入/Z * 1/N当此电桥平衡时(高频电压表V两端等电位)即：C1/(C1+C2) = R/Z * 1/N称为电桥平衡条件。如果电桥是按50 Q设计的，则电桥的组件参数应满足： R/N * (C1+C2)/C1 = 50Q通常可先确定N及R,然后再算出电容值。例如选定R=22 Q, N=22, C1=5pf，于是: C2 = (N*C1*
7、50)/R - C1代入后得C2=245pF。显然按上述参数组成的电路，当输出端接上50 Q负载时，表头的指针位置应为零位 置，也就是说SWR=1；当Z值偏离50 Q时(无论是大于50 Q,或少于50 Q )皆会使 指针偏移，其读数比例于反射电压。为了读取入射电压，只需将电流互感器的次级反接，这时高频电压表 V 两端的电压反 相位，电压表读数相当C2上的电压与R上的电压之和。如果我们将此电压表按功率来刻度， 于是此表即可测量入射功率或反射功率。测量 SWR 时，首先置于测量正向功率状态，调节表头灵敏度，使指针指向满度，然后 使电路改换为测量反射状态，即可在度盘上读出SWR值。也可分别测出P入和
8、P反，用公 式 (5) 计算出 SWR。以上只是原理性的，还未解决如果制做电压表和如何倒换互感器极性的问题。根据上 述原理，实际的定向耦合器如图 3 所示。0.-01ref輪出fvvd輯岀由图4可见是由两个定向 耦合器组成，左边的用来检测反向 功率，右边的用于入射功率。图中 巧妙地利用分压电容C1和C2 兼做检波负载电容，这一电路可以 保证不管负载阻抗是大于还是少 于50 Q,皆会得到正的电压输出 给REF指示电路。图4的缺点是电路组件较 多，还可以改变为图5。图5电路中共享了一套电 容分压器并节省两支RFC，而将电 流互感器改为双线绕法。以上所介绍的电路都是采 用一套分压电路，由于分布参量的
9、 影飨，计算值往往偏离实际值，因 此需要仔细调整，才能得到所需的 状态，稍一不小心就会使SWR表 偏离设计的阻抗特性。图5能否有一种电路，不需调试 即可得到预期的阻抗特性呢？答 案是肯定的，用一支电压互感器来 替换电容分压器，即可达到目的。 请参看图6。图6中，T2为电压互感 器，其感应电压为U入/N2。T1 为电流互感器，其次级电流为(U 入/ Z)*(1/N2)。电阻R上的电 压则为U入* (R/Z) *1/N2)。电桥 平衡时，R上的电压与T2的感应 电压相等而抵消，即平衡条件为 N1/N2二R/Z。如果选用 N1二N2,R=50 Q,则此SWR表即为50 Q的仪 表，如果将R改为75
10、Q,则此 表即可简单地被修改为测量75 Q系统的仪表了！图6可以进一 步修改为更为稳定和简便的电路， 如图7(A)。这种电路称为串联匹配 (Tandem Mat ch)电路。由等效电 路可以看出J1的输出为电流源 与电压源合成的结果，而J2的输出为两项相差的结果。本电路有良好的技术特性：在 1.830MHz频段内，耦合系数的平坦性优于土 O.ldB,达到50MHz时也只不过土 0.3dB。在 1.830MHz内方向性超过35dB，在50MHz时为26dB。图8为一个电路的结构图，可工作至1.5KW。两组互感器的屏蔽隔离是十分重要的， 否则仪表的方向性将变坏！必须特别指出的是，互感器初、次级之间
11、的电场屏蔽也是十分必 要的，否则，仪表的频率平坦性变差。但是切记，屏蔽层只允许一端接地，而另一端悬空， 如果两端皆接地，则根本不能工作！结构及原理细节请参阅 ARRL The Radio Amateurs HandBook 1993。除了一个或两个互感器的电路外，还可以用三只互感器来组成SWR表，这极电路有极 好的对称性，且便于镶在一段微带传输线的中间，如图 9 所示。以上两种电路由于信号信道采用了一段同轴电缆或微带线，因此定向耦合器的固有驻 波很小，保证了传输线的良好匹配。定向耦合器的低频限制与互感器次级的感抗有关，至少要保证在低频端的感抗s L要 大于三倍于50 Q。而最高工作频率是受次级
12、绕组的长度所限，较少的匝数比可以使高频端 大为扩展，例如N=10时，可以使高频限制达到150MHz波段，仍可保证有较好的测量准确 度。互感器的匝数比还对 SWR 表的灵敏度有直接的影响。耦合系数为20dB的定向耦合器（相当N=10）有着高灵敏度，适合QRP使用。但高 灵敏度也会带来驻波表功耗的增加，因此对于可测大功率的SWR表，皆适当地减小定向耦合 器的耦合系数 （即增加互感器的匝数，如 N=3 相当于 30dB）。在超高频频段，由于分立组件不可避免地存在有引线电感和分布电容等杂散参数的影 响，使得上述电路的准确度和频率恃性变坏，而不能使用，因此在 VHF 及 UHF 频段中，则 采用同轴结构
13、或微带线方式的分布参数电路来实现定向耦合器，这种电路不能使用如前所述 的集总参数的分析方法来解释。Monimatch电路的基本结构是在输入与输出端子之间，用一条与设计阻抗相匹配的微 带线连接，然后在微带线的两侧，对称地设置两条有一定长度的耦合线，一条作为反向耦合 器，一条作为正向耦合器。其基本形状如图 10所示。微带线的特性阻抗与印刷电路板的介电常数、板厚度及微带线宽度有关。靠近输入端 口的检波器担负正向功率的检测，它对反向电能不敏感。靠近输出端的检波器也只检测反向 传输的功率。实现这种定向检测功能要靠端接匹配负载后，仔细调节R的阻值来达到。也就 是说，更换R的数值即可得到具有50 Q或75
14、Q特性的SWR表。这种定向耦合器能够做成GHz的SWR表，但是这种方式的定向耦合器对频率敏感， 频率的上升引起耦合系数加大，使得功率（频率特性）变坏，（但仍可以实现SWR的测量）， 因此只能窄频段使用。在UHF频段，对SWR表的传输特性要求较高，因此在同轴接头及微 带设计都相对的比HF及VHF要为严格。在要求不高的场合，还有一种制造简易定向称合器的办法，那就是在一小段同轴线的 金属屏蔽网 （外导体 ）内，穿入两根等长的细塑料绝缘导线，作为两个定向耦合器，如图 11 所示。图11中的穿线长度视工作频率而定，约为数厘米，要求两 线对称于同轴线。这种方法的原理 和微带线方式完全相同，但制作上 经济、方便。由于两耦合线的长度 和安装的松紧程度不易一致，因此 在商品中尚末见此种方法者。但对 业余家来讲，不失为一个简便易行 的好办法。下面对微带线方式的定向 耦合器的原理做一简单的介绍。在一导电平面上排列两条 平行导体，如图12所示。主导体 上的电流I,将在检
