天線基礎(chǔ)知識(shí)（三）

3 傳輸線的幾個(gè)基本概念
?????? 連接天線和發(fā)射機(jī)輸出端（或接收機(jī)輸入端）的電纜稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務(wù)是有效地傳輸信號(hào)能量，因此，它應(yīng)能將發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)功率以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端，或?qū)⑻炀€接收到的信號(hào)以最小的損耗傳送到接收機(jī)輸入端，同時(shí)它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號(hào)，這樣，就要求傳輸線必須屏蔽。
?????? 順便指出，當(dāng)傳輸線的物理長(zhǎng)度等于或大于所傳送信號(hào)的波長(zhǎng)時(shí)，傳輸線又叫做長(zhǎng)線。

3.1 傳輸線的種類
?????? 超短波段的傳輸線一般有兩種：平行雙線傳輸線和同軸電纜傳輸線；微波波段的傳輸線有同軸電纜傳輸線、波導(dǎo)和微帶。平行雙線傳輸線由兩根平行的導(dǎo)線組成它是對(duì)稱式或平衡式的傳輸線，這種饋線損耗大，不能用于UHF 頻段。同軸電纜傳輸線的兩根導(dǎo)線分別為芯線和屏蔽銅網(wǎng)，因銅網(wǎng)接地，兩根導(dǎo)體對(duì)地不對(duì)稱，因此叫做不對(duì)稱式或不平衡式傳輸線。同軸電纜工作頻率范圍寬，損耗小，對(duì)靜電耦合有一定的屏蔽作用，但對(duì)磁場(chǎng)的干擾卻無(wú)能為力。使用時(shí)切忌與有強(qiáng)電流的線路并行走向，也不能靠近低頻信號(hào)線路。

3.2 傳輸線的特性阻抗
?????? 無(wú)限長(zhǎng)傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗，用Ｚ0 表示。同軸電纜的特性阻抗的計(jì)算公式為
Ｚ。＝〔60/√εr〕×Log ( D/d ) [ 歐]。
式中，D 為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑； d 為同軸電纜芯線外徑；
εr 為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。
通常Ｚ0 = 50 歐，也有Ｚ0 = 75 歐的。
由上式不難看出，饋線特性阻抗只與導(dǎo)體直徑D 和d 以及導(dǎo)體間介質(zhì)的介電常數(shù)εr 有關(guān)，而與饋線長(zhǎng)短、工作頻率以及饋線終端所接負(fù)載阻抗無(wú)關(guān)。

3.3 饋線的衰減系數(shù)
?????? 信號(hào)在饋線里傳輸，除有導(dǎo)體的電阻性損耗外，還有絕緣材料的介質(zhì)損耗。這兩種損耗隨饋線長(zhǎng)度的增加和工作頻率的提高而增加。因此，應(yīng)合理布局盡量縮短饋線長(zhǎng)度。
?????? 單位長(zhǎng)度產(chǎn)生的損耗的大小用衰減系數(shù)β 表示，其單位為dB / m（分貝／米），電纜技術(shù)說(shuō)明書(shū)上的單位大都用dB / 100 m（分貝／百米） .
設(shè)輸入到饋線的功率為Ｐ1 ，從長(zhǎng)度為L(zhǎng)（ m ）的饋線輸出的功率為Ｐ2 ，傳輸損耗TL 可表示為：
TL ＝ 10 × Lg ( Ｐ1 /Ｐ2 ) ( dB )
衰減系數(shù)為
β ＝ TL/ L ( dB / m )
????? 例如， NOKIA 7 / 8 英寸低耗電纜， 900MHz 時(shí)衰減系數(shù)為β＝ 4.1 dB / 100 m ，也可寫(xiě)成β＝3 dB / 73 m ， 也就是說(shuō)， 頻率為900MHz 的信號(hào)功率，每經(jīng)過(guò)73 m 長(zhǎng)的這種電纜時(shí)，功率要少一半。
????? 而普通的非低耗電纜，例如， SYV-9-50-1， 900MHz 時(shí)衰減系數(shù)為β ＝ 20.1 dB / 100 m，也可寫(xiě)成β＝3 dB / 15 m ，也就是說(shuō)， 頻率為900MHz 的信號(hào)功率，每經(jīng)過(guò)15 m 長(zhǎng)的這種電纜時(shí)，功率就要少一半！

3.4 匹配概念
??????什么叫匹配？簡(jiǎn)單地說(shuō)，饋線終端所接負(fù)載阻抗ＺL 等于饋線特性阻抗Ｚ0 時(shí)，稱為饋線終端是匹配連接的。匹配時(shí)，饋線上只存在傳向終端負(fù)載的入射波，而沒(méi)有由終端負(fù)載產(chǎn)生的反射波，因此，當(dāng)天線作為終端負(fù)載時(shí)，匹配能保證天線取得全部信號(hào)功率。如下圖所示，當(dāng)天線阻抗為50歐時(shí)，與50 歐的電纜是匹配的，而當(dāng)天線阻抗為80 歐時(shí)，與50 歐的電纜是不匹配的。
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????? 如果天線振子直徑較粗，天線輸入阻抗隨頻率的變化較小，容易和饋線保持匹配，這時(shí)天線的工作頻率范圍就較寬。反之，則較窄。
在實(shí)際工作中，天線的輸入阻抗還會(huì)受到周圍物體的影響。為了使饋線與天線良好匹配，在架設(shè)天線時(shí)還需要通過(guò)測(cè)量，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整天線的局部結(jié)構(gòu)，或加裝匹配裝置。

3.5 反射損耗
?????? 前面已指出，當(dāng)饋線和天線匹配時(shí)，饋線上沒(méi)有反射波，只有入射波，即饋線上傳輸?shù)闹皇窍蛱炀€方向行進(jìn)的波。這時(shí)，饋線上各處的電壓幅度與電流幅度都相等，饋線上任意一點(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗。
?????? 而當(dāng)天線和饋線不匹配時(shí)，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時(shí)，負(fù)載就只能吸收饋線上傳輸?shù)牟糠指哳l能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量將反射回去形成反射波。
?????? 例如，在右圖中，由于天線與饋線的阻抗不同，一個(gè)為75 歐姆，一個(gè)為50 歐姆，阻抗不匹配，其結(jié)果是
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3.6 電壓駐波比
?????? 在不匹配的情況下, 饋線上同時(shí)存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅Ｖmax ，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅Ｖmin ，形成波節(jié)。其它各點(diǎn)的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱為行駐波。
?????? 反射波電壓和入射波電壓幅度之比叫作反射系數(shù)，記為R
????反射波幅度??? （ＺL－Ｚ0）
R ＝───── ＝ ───────
??? 入射波幅度??? （ＺL＋Ｚ0 ）
波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù)，也叫電壓駐波比，記為VSWR
波腹電壓幅度Ｖmax????????? （1 + R）
VSWR ＝ ────────────── ＝ ────
??????????? 波節(jié)電壓輻度Ｖmin????????? （1 - R）
終端負(fù)載阻抗ＺL 和特性阻抗Ｚ0 越接近，反射系數(shù)R 越小，駐波比VSWR 越接近于１，匹配也就越好。

3.7 平衡裝置
????? 信號(hào)源或負(fù)載或傳輸線，根據(jù)它們對(duì)地的關(guān)系，都可以分成平衡和不平衡兩類。
????? 若信號(hào)源兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反，就稱為平衡信號(hào)源，否則稱為不平衡信號(hào)源；若負(fù)載兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反，就稱為平衡負(fù)載，否則稱為不平衡負(fù)載；若傳輸線兩導(dǎo)體與地之間阻抗相同，則稱為平衡傳輸線，否則為不平衡傳輸線。
在不平衡信號(hào)源與不平衡負(fù)載之間應(yīng)當(dāng)用同軸電纜連接，在平衡信號(hào)源與平衡負(fù)載之間應(yīng)當(dāng)用平行雙線傳輸線連接，這樣才能有效地傳輸信號(hào)功率，否則它們的平衡性或不平衡性將遭到破壞而不能正常工作。如果要用不平衡傳輸線與平衡負(fù)載相連接，通常的辦法是在糧者之間加裝“平衡－不平衡”的轉(zhuǎn)換裝置，一般稱為平衡變換器。

3.7.1 二分之一波長(zhǎng)平衡變換器
????? 又稱“Ｕ”形管平衡變換器，它用于不平衡饋線同軸電纜與平衡負(fù)載半波對(duì)稱振子之間的連接。“Ｕ”形管平衡變換器還有1:4 的阻抗變換作用。移動(dòng)通信系統(tǒng)采用的同軸電纜特性阻抗通常為50歐，所以在YAGI 天線中，采用了折合半波振子，使其阻抗調(diào)整到200 歐左右，實(shí)現(xiàn)最終與主饋線50 歐同軸電纜的阻抗匹配。
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3.7.2 四分之一波長(zhǎng)平衡-不平衡器
????? 利用四分之一波長(zhǎng)短路傳輸線終端為高頻開(kāi)路的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)天線平衡輸入端口與同軸饋線不平衡輸出端口之間的平衡-不平衡變換。
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