史密斯圓圖在導航設備天線安裝調試的運用

黃鉅江

摘 要：澳大利亞INDRA公司（原為AWA公司）生產的VRB-52D多普勒全向信標在我國許多機場、導航臺廣泛使用，該設備天線、饋線系統需在安裝現場進行較為繁瑣安裝調試，本文通過史密斯圓圖，直觀地理解該設備天饋系統的技術原理，為安裝調試工作提供理論指導。

關鍵詞：史密斯圓圖 全向信標 天饋系統 安裝調試

中圖分類號：TN820 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（c）-0040-03

澳大利亞INDRA公司（原為AWA公司）生產的VRB-52D多普勒全向信標，由于設備性能良好，工作穩定，至今在我國許多機場、導航臺廣泛使用。由于該設備天饋系統需在安裝現場進行安裝、調整，安裝調試工作比其他型號的同類設備顯得較為繁瑣。本文想通過史密斯圓圖，直觀地理解該設備天饋系統的技術原理，為安裝調試工作提供理論指導。

1 史密斯圓圖

史密斯圓圖是P.H.Smith于1939年發明的，它使計算阻抗、反射系數、駐波比等參量變得簡便，廣泛應用于射頻、微波電路阻抗分析、匹配網絡設計等方面。

2 VRB-52D多普勒全向信標的天饋系統介紹

VRB-52D多普勒全向信標的天線系統由一個中心天線（發射載波信號）和48個均勻分布在半徑為6.75 m圓周上的邊帶天線（發射邊帶信號）組成，通過邊帶轉換單元（SCU）進行上下邊帶的切換，通過天線分配開關（ADS）將SCU切換輸出的上、下邊帶信號按一定時序依次給分成四組的48個邊帶天線饋電。天饋系統如圖1所示。

3 天饋系統的安裝調整

以下通過幾個本設備天饋系統的安裝調整的步驟，闡述史密斯圓圖的運用。

（1）由于邊帶天線發射的上、下邊帶信號需在空中與中心天線發射的載波信號合成，產生副載波信號，為了保證所產生的副載波信號保持穩定的調制度，必須使信號源到每個邊帶天線的相位一致，要求邊帶電纜的電氣長度一致。

（2）邊帶天線電纜長度的確定。為了減少輻射的天線與相鄰不輻射天線之間的相互影響，要求在不輻射的天線兩端等效連接一個接近17 Ω的純阻性阻抗，這通過調整邊帶饋線的長度來實現阻抗變換。利用史密斯圓圖分析如下：天線分配開關ADS的24個輸出端口，在不饋電時，可使用矢量電壓表或網絡分析儀測量其反射系數Γ，約為0.6∠-44°，史密斯圓圖上的入圖點為a，可根據a點所在的等電阻圓和等電抗圓得出對應端口的歸一化阻抗。在忽略電纜衰減的情況下，該端口連接的邊帶電纜上每一點的歸一化輸入阻抗都落在ρ=0.6的等ρ圓上。隨著與該端口連接的邊帶電纜往天線端移動長度l1長度后，該點的歸一化輸入阻抗對應于a點沿等ρ圓順時針（圓圖上指示向信號源）方向移動達到的b點，b點在=0.25的等電阻圓與u軸的交點上，b點的歸一化阻抗為0.25，由于邊帶電纜特征阻抗=50 Ω，可得b點實際輸入阻抗為12.5 Ω。在忽略電纜衰減的情況下，邊帶電纜每增加N的長度，其阻抗均為12.5 Ω，如圖2所示。

如考慮邊帶電纜衰減，接天線端的ρ<0.6，最終的b點將往圓心移動，b點所落在的等電阻圓的將增大，在天線端的實際輸入阻抗將大于12.5 Ω。該實際數值約為17 Ω的純阻性阻抗。

在實際安裝時，通過分次剪短邊帶電纜的方法，由于邊帶電纜是逐次變短的，在圓圖上代表的點是在等ρ圓上沿逆時針方向移動，反射系數的角度逐次增大，最后矢量電壓表在邊帶電纜連接天線的一端所測量反射系數的角度讀數為±180°，這時就到達b點。由圖2可見，饋線長度每變化，反射系數的角度θ均為±180°，根據邊帶電纜的傳輸速比Vr，可以計算反射系數的角度每變化1°對應剪短的電纜長度為：

（3）在完成邊帶電纜制作后，要進行邊帶天線的調整，使邊帶天線的輻射相位一致。隨后進行天線阻抗的測量，以反射系數ρ∠θ來表示，天線阻抗取48個邊帶天線的平均值，這個阻抗值主要反映天線的特性，由于每套設備安裝過程中電纜長度相差不大，電纜總衰減值相差不大，所以ρ主要與工作頻率有關，饋線長度僅影響θ，以最近安裝的洛陽DVOR設備為例，為0.465∠-142°，本設備的安裝說明書是通過制作短截線匹配器，把上述阻抗變換為50 Ω，如圖3所示。

（4）短截線匹配制作。

在實際安裝過程中，饋線l1與l2以及l1與之間是由射頻連接頭連接的，在計算饋線長度時應減去射頻連接頭的電氣長度。我們根據安裝現場情況選擇上述兩組饋線長度的其中一組制作短截線匹配器。

本設備技術手冊要求邊帶天線的匹配效果是反射系數不大于0.1，載波天線的要求較高，不大于0.02。

在實際安裝過程中，短截線l2電纜的調整是相對方便的，在l2電纜可使用大頭針等戳穿電纜，使同軸電纜屏蔽層與芯線短路，從而調整短路點，并觀察此時反射系數的ρ值的變化。

l1電纜的調整相對困難，只能通過計算公式或圓圖作圖得出計算值后，制作一根比計算值稍長10毫米左右的電纜，在l2電纜調整短路點使反射系數的ρ值最小的情況下，利用l1電纜射頻連接頭的松緊，觀察ρ值的變化趨勢，確定l1電纜長度的需要增長或減短。

為了解決l1電纜長度較難確定的問題，理論上可采用雙短截線匹配法，通過調整兩條短截線的長度實現匹配，但在實際使用中，雙短截線匹配法使用兩條短截線，增加了電纜連接點，故障及不穩定的概率也相應增加了，在本套設備的廠家沒有采用，可能也是基于這個原因。

在有條件的情況下可利用一種特征阻抗為50 Ω的移相器，調整好，制作一根與它等電氣長度的l1電纜。

4 結語

史密斯圓圖是傳輸線理論的圖形表現，VRB-52D多普勒全向信標的天饋系統的設計思想和安裝調試要求都是基于傳輸線、阻抗變換、匹配的理論，所以認真掌握史密斯圓圖，對進一步理解該天饋系統并指導該設備的安裝調試，具有重大意義，本文只對其中某一兩個方面，闡述自己在安裝調試過程的膚淺體會。

參考文獻

[1] 李緒益.微波技術與微波電路[M].華南理工大學出版社，2007.

[2] 呂芳.微波技術[M].東南大學出版社，2009.

[3] 澳大利亞INDRA公司，VRB-52D多普勒全向信標機技術手冊[z].endprint

摘 要：澳大利亞INDRA公司（原為AWA公司）生產的VRB-52D多普勒全向信標在我國許多機場、導航臺廣泛使用，該設備天線、饋線系統需在安裝現場進行較為繁瑣安裝調試，本文通過史密斯圓圖，直觀地理解該設備天饋系統的技術原理，為安裝調試工作提供理論指導。

關鍵詞：史密斯圓圖 全向信標 天饋系統 安裝調試

中圖分類號：TN820 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（c）-0040-03

澳大利亞INDRA公司（原為AWA公司）生產的VRB-52D多普勒全向信標，由于設備性能良好，工作穩定，至今在我國許多機場、導航臺廣泛使用。由于該設備天饋系統需在安裝現場進行安裝、調整，安裝調試工作比其他型號的同類設備顯得較為繁瑣。本文想通過史密斯圓圖，直觀地理解該設備天饋系統的技術原理，為安裝調試工作提供理論指導。

1 史密斯圓圖

史密斯圓圖是P.H.Smith于1939年發明的，它使計算阻抗、反射系數、駐波比等參量變得簡便，廣泛應用于射頻、微波電路阻抗分析、匹配網絡設計等方面。

2 VRB-52D多普勒全向信標的天饋系統介紹

VRB-52D多普勒全向信標的天線系統由一個中心天線（發射載波信號）和48個均勻分布在半徑為6.75 m圓周上的邊帶天線（發射邊帶信號）組成，通過邊帶轉換單元（SCU）進行上下邊帶的切換，通過天線分配開關（ADS）將SCU切換輸出的上、下邊帶信號按一定時序依次給分成四組的48個邊帶天線饋電。天饋系統如圖1所示。

3 天饋系統的安裝調整

以下通過幾個本設備天饋系統的安裝調整的步驟，闡述史密斯圓圖的運用。

（1）由于邊帶天線發射的上、下邊帶信號需在空中與中心天線發射的載波信號合成，產生副載波信號，為了保證所產生的副載波信號保持穩定的調制度，必須使信號源到每個邊帶天線的相位一致，要求邊帶電纜的電氣長度一致。

（2）邊帶天線電纜長度的確定。為了減少輻射的天線與相鄰不輻射天線之間的相互影響，要求在不輻射的天線兩端等效連接一個接近17 Ω的純阻性阻抗，這通過調整邊帶饋線的長度來實現阻抗變換。利用史密斯圓圖分析如下：天線分配開關ADS的24個輸出端口，在不饋電時，可使用矢量電壓表或網絡分析儀測量其反射系數Γ，約為0.6∠-44°，史密斯圓圖上的入圖點為a，可根據a點所在的等電阻圓和等電抗圓得出對應端口的歸一化阻抗。在忽略電纜衰減的情況下，該端口連接的邊帶電纜上每一點的歸一化輸入阻抗都落在ρ=0.6的等ρ圓上。隨著與該端口連接的邊帶電纜往天線端移動長度l1長度后，該點的歸一化輸入阻抗對應于a點沿等ρ圓順時針（圓圖上指示向信號源）方向移動達到的b點，b點在=0.25的等電阻圓與u軸的交點上，b點的歸一化阻抗為0.25，由于邊帶電纜特征阻抗=50 Ω，可得b點實際輸入阻抗為12.5 Ω。在忽略電纜衰減的情況下，邊帶電纜每增加N的長度，其阻抗均為12.5 Ω，如圖2所示。

如考慮邊帶電纜衰減，接天線端的ρ<0.6，最終的b點將往圓心移動，b點所落在的等電阻圓的將增大，在天線端的實際輸入阻抗將大于12.5 Ω。該實際數值約為17 Ω的純阻性阻抗。

在實際安裝時，通過分次剪短邊帶電纜的方法，由于邊帶電纜是逐次變短的，在圓圖上代表的點是在等ρ圓上沿逆時針方向移動，反射系數的角度逐次增大，最后矢量電壓表在邊帶電纜連接天線的一端所測量反射系數的角度讀數為±180°，這時就到達b點。由圖2可見，饋線長度每變化，反射系數的角度θ均為±180°，根據邊帶電纜的傳輸速比Vr，可以計算反射系數的角度每變化1°對應剪短的電纜長度為：

（3）在完成邊帶電纜制作后，要進行邊帶天線的調整，使邊帶天線的輻射相位一致。隨后進行天線阻抗的測量，以反射系數ρ∠θ來表示，天線阻抗取48個邊帶天線的平均值，這個阻抗值主要反映天線的特性，由于每套設備安裝過程中電纜長度相差不大，電纜總衰減值相差不大，所以ρ主要與工作頻率有關，饋線長度僅影響θ，以最近安裝的洛陽DVOR設備為例，為0.465∠-142°，本設備的安裝說明書是通過制作短截線匹配器，把上述阻抗變換為50 Ω，如圖3所示。

（4）短截線匹配制作。

在實際安裝過程中，饋線l1與l2以及l1與之間是由射頻連接頭連接的，在計算饋線長度時應減去射頻連接頭的電氣長度。我們根據安裝現場情況選擇上述兩組饋線長度的其中一組制作短截線匹配器。

本設備技術手冊要求邊帶天線的匹配效果是反射系數不大于0.1，載波天線的要求較高，不大于0.02。

在實際安裝過程中，短截線l2電纜的調整是相對方便的，在l2電纜可使用大頭針等戳穿電纜，使同軸電纜屏蔽層與芯線短路，從而調整短路點，并觀察此時反射系數的ρ值的變化。

l1電纜的調整相對困難，只能通過計算公式或圓圖作圖得出計算值后，制作一根比計算值稍長10毫米左右的電纜，在l2電纜調整短路點使反射系數的ρ值最小的情況下，利用l1電纜射頻連接頭的松緊，觀察ρ值的變化趨勢，確定l1電纜長度的需要增長或減短。

為了解決l1電纜長度較難確定的問題，理論上可采用雙短截線匹配法，通過調整兩條短截線的長度實現匹配，但在實際使用中，雙短截線匹配法使用兩條短截線，增加了電纜連接點，故障及不穩定的概率也相應增加了，在本套設備的廠家沒有采用，可能也是基于這個原因。

在有條件的情況下可利用一種特征阻抗為50 Ω的移相器，調整好，制作一根與它等電氣長度的l1電纜。

4 結語

史密斯圓圖是傳輸線理論的圖形表現，VRB-52D多普勒全向信標的天饋系統的設計思想和安裝調試要求都是基于傳輸線、阻抗變換、匹配的理論，所以認真掌握史密斯圓圖，對進一步理解該天饋系統并指導該設備的安裝調試，具有重大意義，本文只對其中某一兩個方面，闡述自己在安裝調試過程的膚淺體會。

參考文獻

[1] 李緒益.微波技術與微波電路[M].華南理工大學出版社，2007.

[2] 呂芳.微波技術[M].東南大學出版社，2009.

[3] 澳大利亞INDRA公司，VRB-52D多普勒全向信標機技術手冊[z].endprint

摘 要：澳大利亞INDRA公司（原為AWA公司）生產的VRB-52D多普勒全向信標在我國許多機場、導航臺廣泛使用，該設備天線、饋線系統需在安裝現場進行較為繁瑣安裝調試，本文通過史密斯圓圖，直觀地理解該設備天饋系統的技術原理，為安裝調試工作提供理論指導。

關鍵詞：史密斯圓圖 全向信標 天饋系統 安裝調試

中圖分類號：TN820 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（c）-0040-03

澳大利亞INDRA公司（原為AWA公司）生產的VRB-52D多普勒全向信標，由于設備性能良好，工作穩定，至今在我國許多機場、導航臺廣泛使用。由于該設備天饋系統需在安裝現場進行安裝、調整，安裝調試工作比其他型號的同類設備顯得較為繁瑣。本文想通過史密斯圓圖，直觀地理解該設備天饋系統的技術原理，為安裝調試工作提供理論指導。

1 史密斯圓圖

史密斯圓圖是P.H.Smith于1939年發明的，它使計算阻抗、反射系數、駐波比等參量變得簡便，廣泛應用于射頻、微波電路阻抗分析、匹配網絡設計等方面。

2 VRB-52D多普勒全向信標的天饋系統介紹

VRB-52D多普勒全向信標的天線系統由一個中心天線（發射載波信號）和48個均勻分布在半徑為6.75 m圓周上的邊帶天線（發射邊帶信號）組成，通過邊帶轉換單元（SCU）進行上下邊帶的切換，通過天線分配開關（ADS）將SCU切換輸出的上、下邊帶信號按一定時序依次給分成四組的48個邊帶天線饋電。天饋系統如圖1所示。

3 天饋系統的安裝調整

以下通過幾個本設備天饋系統的安裝調整的步驟，闡述史密斯圓圖的運用。

（1）由于邊帶天線發射的上、下邊帶信號需在空中與中心天線發射的載波信號合成，產生副載波信號，為了保證所產生的副載波信號保持穩定的調制度，必須使信號源到每個邊帶天線的相位一致，要求邊帶電纜的電氣長度一致。

（2）邊帶天線電纜長度的確定。為了減少輻射的天線與相鄰不輻射天線之間的相互影響，要求在不輻射的天線兩端等效連接一個接近17 Ω的純阻性阻抗，這通過調整邊帶饋線的長度來實現阻抗變換。利用史密斯圓圖分析如下：天線分配開關ADS的24個輸出端口，在不饋電時，可使用矢量電壓表或網絡分析儀測量其反射系數Γ，約為0.6∠-44°，史密斯圓圖上的入圖點為a，可根據a點所在的等電阻圓和等電抗圓得出對應端口的歸一化阻抗。在忽略電纜衰減的情況下，該端口連接的邊帶電纜上每一點的歸一化輸入阻抗都落在ρ=0.6的等ρ圓上。隨著與該端口連接的邊帶電纜往天線端移動長度l1長度后，該點的歸一化輸入阻抗對應于a點沿等ρ圓順時針（圓圖上指示向信號源）方向移動達到的b點，b點在=0.25的等電阻圓與u軸的交點上，b點的歸一化阻抗為0.25，由于邊帶電纜特征阻抗=50 Ω，可得b點實際輸入阻抗為12.5 Ω。在忽略電纜衰減的情況下，邊帶電纜每增加N的長度，其阻抗均為12.5 Ω，如圖2所示。

如考慮邊帶電纜衰減，接天線端的ρ<0.6，最終的b點將往圓心移動，b點所落在的等電阻圓的將增大，在天線端的實際輸入阻抗將大于12.5 Ω。該實際數值約為17 Ω的純阻性阻抗。

在實際安裝時，通過分次剪短邊帶電纜的方法，由于邊帶電纜是逐次變短的，在圓圖上代表的點是在等ρ圓上沿逆時針方向移動，反射系數的角度逐次增大，最后矢量電壓表在邊帶電纜連接天線的一端所測量反射系數的角度讀數為±180°，這時就到達b點。由圖2可見，饋線長度每變化，反射系數的角度θ均為±180°，根據邊帶電纜的傳輸速比Vr，可以計算反射系數的角度每變化1°對應剪短的電纜長度為：

（3）在完成邊帶電纜制作后，要進行邊帶天線的調整，使邊帶天線的輻射相位一致。隨后進行天線阻抗的測量，以反射系數ρ∠θ來表示，天線阻抗取48個邊帶天線的平均值，這個阻抗值主要反映天線的特性，由于每套設備安裝過程中電纜長度相差不大，電纜總衰減值相差不大，所以ρ主要與工作頻率有關，饋線長度僅影響θ，以最近安裝的洛陽DVOR設備為例，為0.465∠-142°，本設備的安裝說明書是通過制作短截線匹配器，把上述阻抗變換為50 Ω，如圖3所示。

（4）短截線匹配制作。

在實際安裝過程中，饋線l1與l2以及l1與之間是由射頻連接頭連接的，在計算饋線長度時應減去射頻連接頭的電氣長度。我們根據安裝現場情況選擇上述兩組饋線長度的其中一組制作短截線匹配器。

本設備技術手冊要求邊帶天線的匹配效果是反射系數不大于0.1，載波天線的要求較高，不大于0.02。

在實際安裝過程中，短截線l2電纜的調整是相對方便的，在l2電纜可使用大頭針等戳穿電纜，使同軸電纜屏蔽層與芯線短路，從而調整短路點，并觀察此時反射系數的ρ值的變化。

l1電纜的調整相對困難，只能通過計算公式或圓圖作圖得出計算值后，制作一根比計算值稍長10毫米左右的電纜，在l2電纜調整短路點使反射系數的ρ值最小的情況下，利用l1電纜射頻連接頭的松緊，觀察ρ值的變化趨勢，確定l1電纜長度的需要增長或減短。

為了解決l1電纜長度較難確定的問題，理論上可采用雙短截線匹配法，通過調整兩條短截線的長度實現匹配，但在實際使用中，雙短截線匹配法使用兩條短截線，增加了電纜連接點，故障及不穩定的概率也相應增加了，在本套設備的廠家沒有采用，可能也是基于這個原因。

在有條件的情況下可利用一種特征阻抗為50 Ω的移相器，調整好，制作一根與它等電氣長度的l1電纜。

4 結語

史密斯圓圖是傳輸線理論的圖形表現，VRB-52D多普勒全向信標的天饋系統的設計思想和安裝調試要求都是基于傳輸線、阻抗變換、匹配的理論，所以認真掌握史密斯圓圖，對進一步理解該天饋系統并指導該設備的安裝調試，具有重大意義，本文只對其中某一兩個方面，闡述自己在安裝調試過程的膚淺體會。

參考文獻

[1] 李緒益.微波技術與微波電路[M].華南理工大學出版社，2007.

[2] 呂芳.微波技術[M].東南大學出版社，2009.

[3] 澳大利亞INDRA公司，VRB-52D多普勒全向信標機技術手冊[z].endprint