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駐波比值分析儀的應用方法

No.41   1996 June.   p58~62,   by 編輯部



    目前市售的駐波比值分析儀,不僅體積小巧,功能更是齊全,相對也使應用範圍日益廣泛,下面就以 MFJ-259 為例,挑幾種最實用的測試一一做說明。



駐波比值分析儀與駐波比值

    要使用駐波比值分析儀之前,務必要適當地了解饋送線及天線的一些基本現象,才不至於出現因錯誤觀念而導致的錯誤應用或測量誤差。

    所謂的駐波比值測量,通常是指利用電橋,來測量訊號源與負載之間的阻抗比值,由於在業餘無線電中所有的發射機輸出端都是採用 50 歐姆,所以 MFJ-259 內的訊號源參考阻抗也是 50 歐姆,例如當 MFJ-259 外接的負載是 150 歐姆時,以 50 歐姆為參考時,駐波比值讀數就是 3:1。

    MFJ-259 所測得的是純電阻的駐波比值,因此負載的阻抗若是純電阻的話,那麼駐波比值 1:1 就表示負載阻抗一定是 50 歐姆。一般人會誤認為,如果負載有 25 歐姆的電抗及 25 歐姆的阻抗成份,那麼駐波比值也會是 1:1,這是絕對錯誤的觀念,像這種情況,正常的駐波比值應該是 2.6:1。在 MFJ-259 上,如果碰到這樣的負載,也可以顯示正確的駐波比值,駐波比值決不會誤為 2:1 或 1:1。

    另一個錯誤的觀念是駐波比值會隨著饋送線的長度而變化,其實是不會的。如果饋送線阻抗是 50 歐姆,而端負載是 25 歐姆,饋送線長度變化時,駐波比值應該固定在 2:1。一般人所誤認為的「饋送線長度會引起駐波比值變化」,實際上是因為饋送線的訊號損失量太大所引起的,如果饋送線的訊號功率總損失量能夠保持很低,那麼在發射機端測駐波比值應該可以和天線饋送點上的駐波比值很接近。當然這饋送線如果是工作波長的特殊倍數是屬於例外的情況。

    另外,要是饋送線的訊號功率損失量大,或者是駐波比值很高,都會加深駐波比值讀數的誤差,此時駐波比值讀數看起來會比實際的情況還好。如果駐波比值很明顯地隨著饋送線長度而變化,那可能是由下面的因素所造成的:

  • 饋送線阻抗特性不是50 歐姆。
  • 電橋設計的參考阻抗不是50 歐姆。
  • 饋送線的訊號功率損失量很大。
  • 系統不匹配,饋送線本身已成為天線的一部份而有輻射現象。

    有些饋送線的訊號功率損失量很低,例如開放式的饋送線,即使在極高頻範圍內,在高的駐波比值下,訊號功率損失量依然很低。而高訊號功率損失量的同軸電纜,像是 RG-58, 當駐波比值升高時,饋送線的傳輸效率會很快地往下掉。所以使用訊號損失量大的饋送線或者是饋送線相當長時,一定要保持有很低的駐波比值才能維繫好的饋送效率。

    因此,測量天線駐波比值時,除非採用功率損失量很低的饋送線,並且注意饋送線的工作頻率波長關係,否則一定要在天線饋送點上測量,因為在發射機端測量的話,駐波比值會因為饋送線的訊號功率損失量以及天線的效率,而可能得到離奇的結果。


有關天線的駐波比值

    ■對於收發機的傷害:有許多早期的收發機,無法忍受高駐波比值。高駐波比值表示反射功率增加,這會使發射機的末級發生反射電壓 (出現弧光) 或是電流 (過熱現象) 升高現象,為了要克服這個問題,可以使用天線調諧器。

    ■降低收發機的輸出功率:為了能夠有自我保護的作用,大多數的收發機碰到高駐波比的負載時,會自動降低輸出功率;儘管有這類的保護功能,發射機還是有可能受損。這類的保護功能,一般只要在駐波比值超過 1.5 或 2.0 時,就會起作用。

    ■傷害天線系統:在極端的狀況下,高駐波比值所引起的高壓,可能使饋送線、接頭、或是天線產生弧光,如果這弧光只是經過空氣而放電,也許只是一種放電現象而已,並不會造成明顯的傷害,假如這弧光穿過同軸電纜的絕緣層、接頭、或是平行饋送線,會使日後發生更嚴重的弧光現象。受弧光破壞的饋送線、接頭、或絕緣子,應該及早汰換下來。

    ■增加饋送線的功率損失:所有饋送線都或多或少會把走經的射頻部份功率轉成熱而消耗掉,這些被消耗掉的功率,就是所謂的損失功率。為了表示損失功率大小,一般會以每 100 公尺在某個頻率上有多少 dB 的損失。因為在發射機與天線之間的射頻訊號,就在饋送線的路徑上來回折返,因此發射功率有一部份就是這樣被消耗掉。總之,發射機輸出的功率,不是由天線輻射出去,就是被饋送線轉換成熱消耗掉;而來回折返越多次,也就是駐波比值高,那麼損失也就越大。然而要是使用低損失的饋送線, 例如平行的開放式 450 歐姆饋送線,因為損失量低,因此所增加的消耗功率就有限,這也就是為什麼低損失量的饋送線可以容忍大駐波比值的原因。


如何降低天線的駐波比值

    我們可以利用匹配網路,讓發射機「看」到比較低的駐波比值。大部分是使用可以調整的匹配網路,而所謂的匹配網路一般又被稱為天線調諧器,以天線調諧器來稱呼實在是很不妥當,因為這根本無法調諧天線,這匹配網路是接在發射機輸出之後。另外一種降低駐波比值的方法,當然是調整天線,縮短或是加長天線,讓天線的諧振頻率與工作頻率更接近。


利用駐波比錶來抓天線的毛病

    大多數的業餘無線家,習慣上會把駐波比錶串接在饋送線上,一旦發現駐波比值突然升高,就表示天線系統出了問題,可能是接觸不良,或者是天線斷了。當然天線出問題,可能就在安裝完成後,也有可能使用一段期間之後,因為遭到氣候侵蝕。但是不論如何,這都可以利用駐波比錶測量,診斷出天線問題所在:

    接頭鬆動:一般在天線系統的鬆動情況,駐波比值變動很快,時好時壞,此時最好檢查收發機、饋送線及天線之間的任何接點。這類問題在強風、多雨的氣候下特別容易發生。

    駐波比值升高:這是指駐波比值高到 10:1 以上,而且是固定的,這表示天線系統很糟。一定要記住,發現高駐波比值後,一定不能再有發射動作,不要一再地壓發射鍵來讀取駐波比值。這可能是接頭開路或是短路,此時要徹底檢查各接點、饋送線有沒有受損。

    天線長度太離譜:這也有可能使駐波比值升高,比如錯用了波段,天線掉落,或天線碰到其他物體。

    同軸饋送線破損:這也有可能使駐波比值忽然降低,為什麼會這樣呢?這是因為老化的饋送線會使損失功率 (尤其是反射) 加大,這樣會使駐波比值錶可以測量到的反射功率降低,也就是使駐波比值降低。如果你的同軸饋送線已經使用好幾年,那麼就應該想到,舊的饋送線會比新的饋送線有更低的駐波比值。


測量駐波比值

    利用 MFJ-259 可以測得任何負載的阻抗比例,這阻抗是以 50 歐姆為參考值的,測量的頻率範圍從 1.8MHz 到 170MHz,它可以獨立測量,並不需要其他輔助設備或工具。

    MFJ-259 頂端的 M 頭就是駐波比電橋的輸出端,測量時,這端子接負載或其他待測裝置。要測量 50 歐姆同軸電纜的駐波比值時,直接把饋送線接到 M 頭就可以,轉動調整鈕到所要的工作頻率上,頻率值可以直接從 LCD 讀取,這頻率讀數應該隨著調整鈕轉動而改變;如果頻率讀數不變,那很可能是設定在外部輸入訊號,按一下頂端左後方“ INPUT ”紅色鈕, LCD 字幕最後一位數上方出現小 "A" 字,表示計頻儀所測量的是內部訊號。

    要注意的是,計頻儀上的頻率讀數可能很不穩定,這是因為 MFJ-259 內的訊號產生器有頻率偏移的現象,這種頻率偏移是正常的,也不會影響測量結果,或對 MFJ-259 駐波比值分析儀的功能產生任何影響。為了測量方便,在頻率低於 15MHz 以下,可以不必理會 KHz 以下的讀數;而在頻率高於 15MHz 以上,則不必理會 10KHz 以下的讀數。


阻抗表

    MFJ-259 本身有表頭可以直接讀取接在天線端子上的阻抗,不過所顯示的是純電阻,不包含電抗 (容抗或感抗),例如要測量 7.1MHz 共振頻率的天線在 7.3MHz 上的電阻,則這表頭上的電阻值就不準確了,所以要這駐波比值分析儀上的阻抗表讀數準確,就必須在很低的駐波比值下才行,這是因為在駐波比值最低時,往往也是阻抗最低時,此時往往就只有電阻而不含電抗,因此表頭所顯示的就都是純電阻了。

    如果阻抗表顯示 50 歐姆,但駐波比讀數卻很高,那就表示負載含有很高成份的電抗。或許可以這樣說,駐波比值 1:1 時,負載阻抗應該是 50 歐姆;如果在阻抗讀數是 50 歐姆時,駐波比值就可以看成是負載含電抗成份的指標,駐波比值越大,含電抗的成份就越大。例如阻抗表讀數是 25 歐姆,波比值應該是 2:1,但實際駐波比表頭的讀數卻遠高於 2:1,那就表示負載含有比重很大的電抗;如果駐波比值是 1:1,阻抗讀數是 50 歐姆,這負載就都是純電阻成份。

    因此,駐波比值不是 1:1,就有可能是因為負載出現電抗,或者是負載的純阻抗不是 50 歐姆。如果駐波比值讀數是 1:1,而純電阻的阻抗讀數不是 50 歐姆的話,那就表示測量儀器出了問題。


MFJ-259 上的計頻儀

    MFJ-259 上的計頻功能,可以當成獨立的計頻儀,外殼留有 BNC 頭接受外界訊號輸入,這計頻儀的頻率測量範圍可以到 200MHz;頻率低於 1MHz 以下,必須要有 TTL 的位準輸入,頻率大於 1 MHz 以上,靈敏度可以到 600mV (實測時平均大約在 200mV)。這計頻儀的準確度大約在百萬分之一 (1 ppm)。

    要特別注意的是,這計頻儀採用 CMOS 輸入,很容易遭到外來不當訊號的破壞,為了避免不必要的損壞,這計頻儀的輸入訊號不要超過 5V, 同時在電源關閉下,不要讓輸入端子接受訊號。

    要使用這計頻儀,先把電源打開,然後再接妥訊號,然後輕按頂端左後方的 "INPUT" 紅色按鈕,LCD 字幕最後一位數上方會出現小的“B" 字,表示計頻儀測量的是外接的訊號。

    至於計頻儀的取樣閘門時間,可以由計頻儀頂端左後方的“GATE" 鈕來選擇,這按鈕就在“INPUT" 的前方,取樣時間是以循環的方式來選擇,計有 0.01、0.1、1.0、及 10 秒 4 種。


測量平衡非平衡轉換器

    知道了國內的射頻零件供應情況之後,許多人會打消自製的念頭,比如平衡非平衡轉換器 (BALUN) 用的磁環或磁棒,供應上大都不知道規格,在連材料都不能把握的情況下,如何自製平衡非平衡轉換器呢?

    其實,MFJ-259 可以幫得上忙,你可以比較各種不同的磁環材料及繞法,比如設計 2:1 的平衡非平衡轉換器,設計好之後,負載端接上 100 歐姆的碳膜電阻 (為了要有純電阻),另一端接到 MFJ-259 上,從 1.9MHz 開始掃描到想要的頻率結束,最高可以到 170MHz,就可以知道這枚平衡非平衡轉換器的匹配情況及工作頻率範圍;雖不能測試耐功率,這也是 MFJ-259 的另一個應用例子。

    平衡非平衡轉換器的另一項重要特性就是平衡特性,測量程序如下:

    先把 4:1 的平衡非平衡轉換器的非平衡端接到 MFJ-259 的 M 頭,平衡端則以兩枚 100 歐姆串接的電阻接上,參看圖 1,如果這平衡非平衡轉換器是電流型,那麼三角箭頭的接線不論是接 A、B、或是 C 點,駐波比值都應該很低。

Fig 01
圖 1:測量 4:1 平衡非平衡轉換器的接法。

    如果平衡非平衡轉換器是電壓型,三角箭頭的接線接 B 點時,駐波比值會很低,但是當接到 A 或 C 點時,駐波比值會很大。電壓型的平衡非平衡轉換器必須要做另一項測試,參看圖 2,把兩枚串聯的電阻改成並聯之後,分別接平衡輸出點,則駐波比值應該很低才算正常。

Fig 02
圖 2:電壓型平衡非平衡轉換器的另一種平衡測試。



調整偶極天線與垂直天線

    因為偶極天線屬於平衡饋電,因此在饋送點上要加個平衡非平衡轉換器比較好。平衡非平衡轉換器可以很簡單,例如以饋送線的同軸電纜纏繞幾圈,或者是利用磁環繞製比較複雜的平衡非平衡轉換器。

    偶極天線的架設高度及架設環境會影到響天線饋送點的阻抗與饋送線的駐波比值,只要高度不太低,一般偶極天線駐波比值都可以在 1.5:1 以下。一只簡易的偶極天線,所能調整的只有天線長度,太長,共振頻率會偏低;過短,共振頻率會太高。

    垂直天線一般是屬於非平衡型。垂直天線的製造廠一般對於架設在地面上的地面垂直天線,對於地網系統都過於忽略。要特別注意的是,有良好地網系統的地面天線,駐波比值通常只能達到 2:1 的程度,而且地面垂直天線有個特點,那就是地網系統越差,性能也就越壞,但是駐波比值卻會越低。


找偶極天線及垂直天線的共振長度

  • 把饋送線接到 MFJ-259 的 M 頭。轉動頻率調整扭,使駐波比值讀數最低。
  • 讀取頻率讀數 FR 。
  • 假設偶極天線想要的共振頻率是 FD,則求得參數 LD = FR / FD
  • 則所要求的偶極天線長度就是現在的偶極天線長度乘 LD

    要特別注意的是,上述的天線長度調整技巧,只限於一般的偶極天線以及全尺寸垂直天線上,也就是說,這方法不適用於含有負載電感、陷波線圈、共振棒 (殘段;STUB)、負載電阻、電容、或是電容帽等,碰到上述這些天線時,必須要配合架設說明書去調整,然後以 MFJ-259 來測試駐波比值。


測量天線饋送點阻抗

    有關天線饋送點的阻抗,可以利用 MFJ- 259 直接來測量,有效範圍是 0 到 500 歐姆之間。

  • 把未知阻抗的饋送點接到 MFJ-259 上,要注意的是,如果這天線的饋送點是平衡型,則 MFJ-259 要以電池供電,以便使 MFJ-259 的接地點浮接。
  • 把 MFJ-259 上的波段開關調到適當的波段上。
  • 轉動調整鈕直到駐波比讀數最低。
  • 從阻抗表上直接讀取阻抗值。
  • 為確認這阻抗值是否可靠,必須要與駐波比值印證 (阻抗值是 25 歐姆或是 100 歐姆時,駐波比值應該是接近 2:1)。



在饋送線方面的應用

    ■找殘段長度或裁剪適當的饋送線長度:要裁剪適當的 1/4 波長殘段或 1/2 波長殘段,以及裁剪恰當的饋送線長度,可以使用 MFJ-259 及一只 50 歐姆的電阻;不只可以測 50 歐姆同軸電纜,其他形式及不同阻抗的饋送線也可以測量。

    如果是同軸電纜饋送線,可以放在地上或是捲繞成圈都沒關係;如果是平行饋送線,就要拉直並遠離金屬片等障礙物或地面。如果殘段的長度是 1/4 波長的奇數倍,則殘段遠端要開路;如果是 1/2 波長整數倍的殘段,則殘段遠端要短路。直接把殘段接到 MFJ-259 的 M 頭上,依照下列步驟取得精確的殘段長度。

  • 決定工作頻率,並以公式算出這頻率的殘段長度。
  • 裁剪殘段時,要比上面所算的長度稍長些。
  • 測出最低駐波比值時的頻率,應該比預定的工作頻率還低。
  • 以工作頻率去除最低駐波比值時的頻率,得到一個係數。
  • 以上面的係數乘上該殘段長度,求得新的殘段長度。
  • 裁剪新的殘段長度,並且印證是否在工作頻率上有最低的駐波比值。

    ■找饋送線的速率因子:MFJ-259 可以找出任何饋送線的速率因子,程序如下:

  • 裁剪一段已知長度的饋送線 (例如 108 公分)。
  • 把這段饋送線當成殘段來測量,可以得到這殘段的工作頻率 (45MHz)。
  • 要特別注意頻率讀數確實是基本頻率 (它可能是諧波頻率,如 90MHz)。
  • 把這頻率讀數以 75 去除,這是此頻率在空氣中的 1/4 波長,單位是公尺 (1.666 公尺)。
  • 計算出來的長度與這殘段長度的比值,就是饋送線的速率因子 (0.648)。

    ■饋送線的阻抗:利用 MFJ-259 駐波比值分析儀可以測得 15 ~ 150 歐姆範圍的饋送線阻抗,但需要一只 250 歐姆可變電阻及三用電表輔助。如果要測量更高阻抗的饋送線,就需要射頻變壓器及更大阻值的可變電阻,測量饋送線阻抗的程序如下:

  • 找出待測饋送線的 1/4 波長頻率。
  • 在饋送線的遠端接上可變電阻。
  • 饋送線接到 MFJ-259 的 M 頭上,並且把 MFJ-259 頻率調到饋送線的 1/4 波長頻率上。一面轉動頻率調整鈕,一面注意駐波比值讀數。
  • 調整饋送線遠端的可變電阻,直到駐波比值不受頻率變化影響而變動;注意這裡的駐波比值大小並不重要,關鍵是駐波比值不受頻率變化的影響。
  • 量接載饋送線遠端的電阻值,就是這饋送線的阻抗。

    ■饋送線的訊號功率損失量:如果訊號功率損失量達到 3 ~ 10dB 之間,就可以利用 MFJ-259 測量出來,因為饋送線的訊號功率損失量與工作頻率高低有關,因此可以採用比較高的頻率來測量,這比較容易 (不需要很長的饋送線) 使訊號功率損失量在 3 ~ 10dB 之間,而在更低頻率上的訊號功率損失量則可以用計算的方式導算出來。測量饋送線訊號功率損失量的程序如下‘

  • 把饋送線接到MFJ-259 上。
  • 饋送線遠端保持開路或短路都可以。
  • 找到要測量的工作頻率,注意駐波比值的變化。
  • 如果駐波比表的指針在紅色區域內,那表示訊號功率損失量低於 3dB,可以升高工作頻率,直到駐波比值讀數是 3:1,這是訊號功率損失量 3dB 的頻率。
  • 如果在工作頻率上駐波比值讀數是 3 以下,參看下表取得訊號功率損失量:

駐波比值 訊號功率損失量
3.0 3.0dB
2.5 3.6dB
2.0 4.7dB
1.7 5.5dB
1.5 6.9dB
1.2 10.3dB

    雖然測得的是某一工作頻率上的訊號功率損失量,但是可以利用頻率加倍,訊號功率損失量增加為 140 %,工作頻率減半,訊號功率損失量減為 70% 的公式,計算出該頻率上的訊號功率損失量。

    例如希望知道饋送線在 10 公尺波段上的訊號功率損失量,但是以 28MHz 測量時,駐波比指針是在紅色區域,因此,增加工作頻率,當到達 60MHz 時,發現駐波比值是 3:1,這表示在頻率 60MHz 時的訊號功率損失量是 3dB,而根據上面所提的原則,28MHz 大約是 60MHz 的一半,所以訊號功率損失量是 70% 弱一些,大約是 2dB。


測量同軸電纜傳遞損失的簡易辦法

    一般使用同軸電纜饋送時,總會想知道到底這同軸電纜的饋送損失有多少,但是我們都知道其實同軸電纜的損失量除了同軸電纜本身外,也與工作頻率的高低有關。一般要知道同軸電纜饋送損失時,可以查該同軸電纜的資料,通常這些資料包括有在特定工作頻率上每千英呎的損失量,如果工作頻率是資料上現有的或是相差不大,那麼只要使用簡易的計算,就可以算出所使用的同軸電纜的饋送損失;如果頻率相差太遠,可能還得利用內插法求出。

    這裡有一個絕佳的簡易方法,完全不動用任何工程,不必拆下天線,更不收回同軸電纜,或動用其他精密測試儀器,只要一只校正過的精密駐波比表就可以了。

    利用精密的駐波比表,在天線的非共振頻率處測量最大的駐波比值,然後利用圖 3 的曲線,就可以對照出該條同軸電纜的饋送損失。原則是測量駐波比值時,輸出功率不要太大。圖 3 曲線由公式 LOSS = 10 ㏒ [ (SWR+1) / (SWR-1) ] 計算出來,經由這種方式測量與對照出來的數值,與實際值的誤差都在 0.1dB 以內。

Fig 03
圖 3:駐波比值與同軸電纜饋送損失對照表。

    為什麼這樣可以測量出同軸電纜的饋送損失呢?因為天線只要偏離共振頻率一段距離,就會有很大的駐波比值;而一般同軸電纜的傳遞損失,就相當於把一小段同軸電纜的遠端短路或開路所得的駐波比值,與根據上面公式所求得的極接近;既然天線在共振頻率之外,因此,接著天線饋送點的遠端,就可以看成是開路。根據上面公式所求的曲線,自然可以得到精確的饋送損失。 END



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