基于反射系數的短波天饋線檢測研究

鄧 超，孫 莉

（①69018部隊，新疆 喀什 844200；②裝備學院，北京 101416）

0 引言

短波天線及其饋線系統是短波通信系統的重要組成部分，其性能優劣直接影響到短波通信的質量。由于其常年暴露在室外，受日光及風霜雨雪等自然環境影響，會造成天線及饋線的接頭或轉換器之間銹蝕、松動，致使通信質量下降甚至中斷，而測量和檢修天線系統的工作量大、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，從幾百米到上千米不等。維修人員經常需花費大量時間長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，有時候還需要登高作業，因此天線系統的維護和檢測極為不便。根據天線饋線系統的傳輸特性，采用基于反射系數的天線饋線系統檢測方法，可在室內天線接收端或發射端對天線饋線系統的性能進行定量測量，提高了檢測的效率和精確性，減輕了人員工作量。

研究從短波天線饋線的傳輸特性入手。首先介紹在信號傳輸過程中涉及到的幾個概念:特性阻抗、阻抗匹配、反射系數、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對入射波反射的程度。然后分析短波天線饋線的傳輸特性。最后,提出基于反射系數的短波天線饋線檢測方法,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，它是針對長傳輸線中的交流信號產生的阻抗[1]。在信號的傳輸過程中，沿信號到達的地方，信號線與參考面之間由于存在電場，就會產生一個瞬間電流 I，如果傳輸線各向同性，只要信號在傳輸，則這個電流就始終存在，如果信號輸出電壓是 V，那么，在這個傳輸過程中，傳輸線就等效為一個電阻，大小是 V/I，即稱為該傳輸線的特性阻抗Z0。信號在傳輸的過程中，如果傳輸路徑上的特性阻抗發生變化，信號就會在阻抗不連續的節點發生反射。

1.2 阻抗匹配

阻抗匹配是指傳輸線的特性阻抗 Z0與負載輸入阻抗 ZL之間的一種關系，即Z0=ZL，在這種情況下，由傳輸線送入負載的電磁波能量被全部吸收，沒有反射[2]。

1.3 反射系數Г

反射系數是一個標量，其定義為反射波電壓與入射波電壓的比值，表示為:

反射系數越高，傳輸系統對入射波的反射越大，其值為1時，稱為全反射。

1.4 電壓駐波比

當負載中有電磁波能量向傳輸線中反射時，就會在傳輸線中產生行駐波。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，可以通過反射系數來計算，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）是反射系數絕對值的倒數，以分貝數表示，體現了反射功率的大小，即：

2 短波天線饋線傳輸特性分析

在一個短波通信系統中，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換，如果作為發射天線，就是將高頻電流轉換成電磁波向空間輻射[3]；如果作為接收天線，則過程相反。而饋線負責傳輸經天線轉換之后或將要轉換的高頻電流。如圖1所示。

圖1 天線及饋線等效

從參考面 T看，天線和饋線是一個單端口網絡。設天線輸入阻抗為ZL，饋線特性阻抗為Z0, 理想情況下，天線相當于一個與電纜饋線相匹配的負載,即 ZL= Z0,從 T傳入的高頻能量通過饋線全部傳輸到天線，被負載吸收，沒有反射[4]。在實際應用中，天線和饋線無法做到理想的阻抗匹配，饋線、天線、轉換器、以及各個接頭等等都會引起反射，即使是在新架設的天線饋線系統中也會出現這種現象。根據這種現象，如果將掃頻源產生的標準信號從T輸入，對單端口網絡的反射系數進行測量，得到該網絡的反射情況，就能掌握該天線饋線系統的性能。經過長期的使用之后，受自然環境的侵蝕，天線饋線系統反射參數必然出現一定的變化，如果其連接件出現銹蝕甚至開路，導致反射現象增強，進行測量并比較，就能準確掌握對天線饋線的狀況。例如，正常情況下在短波頻段，對數周期天線饋線電壓駐波比 VSWR大約為 1到 1.6[5]，如果測量值明顯偏離較大，則可以斷定天線饋線出現故障。

對反射系數進行測量，需要分離入射波和反射波，可以使用定向耦合器來實現。

3 基于反射系數測量的短波天饋線檢測

3.1 定向耦合器

這里使用的定向耦合器是三端口網絡，無源、可逆。其特性為信號從輸入端輸入后，分別從輸出端和耦合端輸出，利用這個特性可以對信號進行取樣[6]。其關鍵性指標是方向性，它表明了一個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。方向性定義為當信號在正方向行進時耦合端出現的功率與信號反向行進時耦合端出現的功率的比值，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。

一個實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。耦合系數是指輸入端功率與耦合端功率的比值[7]。

3.2 檢測方法基本思路

檢測方法的基本思路是將入射信號和反射信號分別取樣，進行檢波，比較，將結果可視化輸出。為適合于測量反射波，將定向器件調轉方向，并重新命名各端口，如圖3所示。

圖3 反接的定向耦合器

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

圖4 檢測基本原理

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

4 結語

依據反射原理，使用定向耦合器來分離入射波和反射波，計算反射系數，是一種實用、精確的檢測短波天線饋線系統性能的方法。其中所涉及的主要器件已經有成熟的產品，要運用這種方法設計短波天饋線專用檢測儀，還需要構建一個全面的系統，細化各個組成模塊結構，明確其詳細功能，規劃好各部分接口。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幅度檢測電路，以及性能穩定的掃頻源等，設計和實現一個低成本，便攜式的短波天線饋線檢測儀。

[1] 廖承恩. 微波技術基礎[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，1994:88.

[2] 董金明,林萍實,鄧暉.微波技術[M].北京：機械工業出版社，2010:51.

[3] 粟欣，許希斌.軟件無線電原理與技術[M].北京：人民郵電出版社，2010:62.

[4] 柴曉光,袁曉.基于 DSP的多路數據采集系統的設計[J].通信技術，2009,42(07):172-174.

[5] 胡坤.高性能頻率合成器的設計方法研究[J].通信技術,2009,42(03):81-83,86.

[6] 孫田霞,何松柏.一種基于 LINC技術的信號分離算法[J].通信技術，2010,43(05):21-23.

[7] 王珺吉，章立，汪松，等. 電磁泄漏自動檢測系統設計實現[J].信息安全與通信保密,2011(01):75-76,80.

[8] 潘佳懿,李茜,胡愛群.A律壓擴特性對大信號上疊加小信號的影響[J].信息安全與通信保密,2009(08):67-69.