基于反射系數(shù)的短波天饋線檢測(cè)研究

鄧 超，孫 莉

（①69018部隊(duì)，新疆 喀什 844200；②裝備學(xué)院，北京 101416）

0 引言

短波天線及其饋線系統(tǒng)是短波通信系統(tǒng)的重要組成部分，其性能優(yōu)劣直接影響到短波通信的質(zhì)量。由于其常年暴露在室外，受日光及風(fēng)霜雨雪等自然環(huán)境影響，會(huì)造成天線及饋線的接頭或轉(zhuǎn)換器之間銹蝕、松動(dòng)，致使通信質(zhì)量下降甚至中斷，而測(cè)量和檢修天線系統(tǒng)的工作量大、效率較低。短波天線由于工作頻段所限，體積龐大、線桿高度通常在 16 m以上，饋電電纜也很長(zhǎng)，從幾百米到上千米不等。維修人員經(jīng)常需花費(fèi)大量時(shí)間長(zhǎng)距離巡視天線及饋線沿路狀況，包括樹木情況和天線饋線損毀情況，有時(shí)候還需要登高作業(yè)，因此天線系統(tǒng)的維護(hù)和檢測(cè)極為不便。根據(jù)天線饋線系統(tǒng)的傳輸特性，采用基于反射系數(shù)的天線饋線系統(tǒng)檢測(cè)方法，可在室內(nèi)天線接收端或發(fā)射端對(duì)天線饋線系統(tǒng)的性能進(jìn)行定量測(cè)量，提高了檢測(cè)的效率和精確性，減輕了人員工作量。

研究從短波天線饋線的傳輸特性入手。首先介紹在信號(hào)傳輸過程中涉及到的幾個(gè)概念:特性阻抗、阻抗匹配、反射系數(shù)、電壓駐波比以及回波損耗,前兩者是影響入射波反射的重要因素,后三者反映了天線饋線系統(tǒng)對(duì)入射波反射的程度。然后分析短波天線饋線的傳輸特性。最后,提出基于反射系數(shù)的短波天線饋線檢測(cè)方法,并指出了下一步工作方向。

1 基本概念

1.1 特性阻抗

特性阻抗不是直流電阻，它是針對(duì)長(zhǎng)傳輸線中的交流信號(hào)產(chǎn)生的阻抗[1]。在信號(hào)的傳輸過程中，沿信號(hào)到達(dá)的地方，信號(hào)線與參考面之間由于存在電場(chǎng)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬間電流 I，如果傳輸線各向同性，只要信號(hào)在傳輸，則這個(gè)電流就始終存在，如果信號(hào)輸出電壓是 V，那么，在這個(gè)傳輸過程中，傳輸線就等效為一個(gè)電阻，大小是 V/I，即稱為該傳輸線的特性阻抗Z0。信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中，如果傳輸路徑上的特性阻抗發(fā)生變化，信號(hào)就會(huì)在阻抗不連續(xù)的節(jié)點(diǎn)發(fā)生反射。

1.2 阻抗匹配

阻抗匹配是指?jìng)鬏斁€的特性阻抗 Z0與負(fù)載輸入阻抗 ZL之間的一種關(guān)系，即Z0=ZL，在這種情況下，由傳輸線送入負(fù)載的電磁波能量被全部吸收，沒有反射[2]。

1.3 反射系數(shù)Г

反射系數(shù)是一個(gè)標(biāo)量，其定義為反射波電壓與入射波電壓的比值，表示為:

反射系數(shù)越高，傳輸系統(tǒng)對(duì)入射波的反射越大，其值為1時(shí)，稱為全反射。

1.4 電壓駐波比

當(dāng)負(fù)載中有電磁波能量向傳輸線中反射時(shí)，就會(huì)在傳輸線中產(chǎn)生行駐波。電壓駐波比(VSWR,Voltage Standing Wave Ratio)，就是行駐波的電壓波峰值與電壓波谷值的比值，可以通過反射系數(shù)來計(jì)算，即：

可見，電壓駐波比越大，反射功率越高，傳輸效率越低。

1.5 回波損耗

回波損耗（RL, Return Loss）是反射系數(shù)絕對(duì)值的倒數(shù)，以分貝數(shù)表示，體現(xiàn)了反射功率的大小，即：

2 短波天線饋線傳輸特性分析

在一個(gè)短波通信系統(tǒng)中，饋線與天線直接連接。天線完成電磁波與高頻電流之間能量的轉(zhuǎn)換，如果作為發(fā)射天線，就是將高頻電流轉(zhuǎn)換成電磁波向空間輻射[3]；如果作為接收天線，則過程相反。而饋線負(fù)責(zé)傳輸經(jīng)天線轉(zhuǎn)換之后或?qū)⒁D(zhuǎn)換的高頻電流。如圖1所示。

圖1 天線及饋線等效

從參考面 T看，天線和饋線是一個(gè)單端口網(wǎng)絡(luò)。設(shè)天線輸入阻抗為ZL，饋線特性阻抗為Z0, 理想情況下，天線相當(dāng)于一個(gè)與電纜饋線相匹配的負(fù)載,即 ZL= Z0,從 T傳入的高頻能量通過饋線全部傳輸?shù)教炀€，被負(fù)載吸收，沒有反射[4]。在實(shí)際應(yīng)用中，天線和饋線無法做到理想的阻抗匹配，饋線、天線、轉(zhuǎn)換器、以及各個(gè)接頭等等都會(huì)引起反射，即使是在新架設(shè)的天線饋線系統(tǒng)中也會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。根據(jù)這種現(xiàn)象，如果將掃頻源產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)從T輸入，對(duì)單端口網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，得到該網(wǎng)絡(luò)的反射情況，就能掌握該天線饋線系統(tǒng)的性能。經(jīng)過長(zhǎng)期的使用之后，受自然環(huán)境的侵蝕，天線饋線系統(tǒng)反射參數(shù)必然出現(xiàn)一定的變化，如果其連接件出現(xiàn)銹蝕甚至開路，導(dǎo)致反射現(xiàn)象增強(qiáng)，進(jìn)行測(cè)量并比較，就能準(zhǔn)確掌握對(duì)天線饋線的狀況。例如，正常情況下在短波頻段，對(duì)數(shù)周期天線饋線電壓駐波比 VSWR大約為 1到 1.6[5]，如果測(cè)量值明顯偏離較大，則可以斷定天線饋線出現(xiàn)故障。

對(duì)反射系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，需要分離入射波和反射波，可以使用定向耦合器來實(shí)現(xiàn)。

3 基于反射系數(shù)測(cè)量的短波天饋線檢測(cè)

3.1 定向耦合器

這里使用的定向耦合器是三端口網(wǎng)絡(luò)，無源、可逆。其特性為信號(hào)從輸入端輸入后，分別從輸出端和耦合端輸出，利用這個(gè)特性可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行取樣[6]。其關(guān)鍵性指標(biāo)是方向性，它表明了一個(gè)定向器件能夠分離反向行波的良好程度。理想情況下，定向器件可以完全分離正向波和反向波。方向性定義為當(dāng)信號(hào)在正方向行進(jìn)時(shí)耦合端出現(xiàn)的功率與信號(hào)反向行進(jìn)時(shí)耦合端出現(xiàn)的功率的比值，此比值以分貝形式表示。在理想情況下它為無窮大，而—般情況下是30～40 dB。

一個(gè)實(shí)際的三端口定向耦合器如圖2所示。

圖2 三端口定向器件

插入損耗反映了定向耦合器對(duì)入射波的衰減程度，定義為輸入功率與輸出功率分貝值之比。耦合系數(shù)是指輸入端功率與耦合端功率的比值[7]。

3.2 檢測(cè)方法基本思路

檢測(cè)方法的基本思路是將入射信號(hào)和反射信號(hào)分別取樣，進(jìn)行檢波，比較，將結(jié)果可視化輸出。為適合于測(cè)量反射波，將定向器件調(diào)轉(zhuǎn)方向，并重新命名各端口，如圖3所示。

圖3 反接的定向耦合器

將信號(hào)加到輸入端(以前的輸出端)，它將在輸出端口激勵(lì)被測(cè)器件[8]。如果被測(cè)器件是理想的阻抗匹配，則不存在反射，沒有信號(hào)出現(xiàn)在輔端。若在輸出端口連接一非Z0負(fù)載，則將在輔端檢測(cè)到反射信號(hào)。檢測(cè)基本原理如圖4所示。

圖4 檢測(cè)基本原理

信號(hào)源發(fā)出掃頻正弦信號(hào)，第一個(gè)定向耦合器正接，耦合出一路信號(hào)作為參考信號(hào)，第二個(gè)定向耦合器反接，得到一路反射信號(hào)。兩路信號(hào)經(jīng)檢波后按照式（1）計(jì)算出反射系數(shù)Г，再由式（2）、式（3）分別計(jì)算出電壓駐波比和回波損耗。

4 結(jié)語

依據(jù)反射原理，使用定向耦合器來分離入射波和反射波，計(jì)算反射系數(shù)，是一種實(shí)用、精確的檢測(cè)短波天線饋線系統(tǒng)性能的方法。其中所涉及的主要器件已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品，要運(yùn)用這種方法設(shè)計(jì)短波天饋線專用檢測(cè)儀，還需要構(gòu)建一個(gè)全面的系統(tǒng)，細(xì)化各個(gè)組成模塊結(jié)構(gòu)，明確其詳細(xì)功能，規(guī)劃好各部分接口。下一步的工作是選擇方向性較高的定向耦合器，誤差及溫度漂移較小的信號(hào)幅度檢測(cè)電路，以及性能穩(wěn)定的掃頻源等，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)低成本，便攜式的短波天線饋線檢測(cè)儀。

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