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1 目 录 第 1 章 基 本 电 路 知 识 直 流 电 路 几 个 名 词 一 个 最 简 单 的 电 路 图 功 率 与 用 电 量 电 阻 线 圈 电 容 直 流 电 的 应 用 交 流 电 路 楞 次 定 律 原 理 示 意 性 交 流 发 电 机 关 于 复 数 ( 矢 量 ) 的 简 单 运 算 交 流 下 的 电 感 与 电 容 交 流 下 的 阻 抗 电 流 与 功 率 变 压 器 整 流 电 路 三 相 交 流 电 高 频 电 路 串 连 谐 振 并 联 谐 振 普 通 中 波 收 音 机 框 图 调 谐 廻 路 混 频 本 振 中 放 检 波 器 放 大 器 与 跟 随 器 匹 配 与 共 轭 匹 配 8 第 2 章 传 输 线 与 常 用 传 输 器 件 传 输 线 知 识 特 性 阻 抗 反 射 系 数 史 密 斯 圆 图 常 用 同 轴 电 缆 连 接 器 常 用 同 轴 连 接 器 连 接 器 设 计 的 几 点 考 虑 阻 抗 变 换 器 ( 变 阻 器 ) 与 功 率 分 配 器 衰 减 器 定 向 耦 合 器 和 差 器 环 流 器 与 隔 离 器 16 1

2 2.9 移 相 器 滤 波 器 分 路 器 与 合 路 器 多 功 器 直 流 供 电 器 避 雷 器 放 大 器 18 第 3 章 平 衡 器 平 衡 概 说 同 轴 线 的 平 衡 状 态 双 线 的 平 衡 状 态 对 称 振 子 的 平 衡 状 态 天 馈 系 统 平 衡 的 四 项 表 征 穿 入 式 馈 电 扼 流 式 平 衡 器 λ/4 扼 流 套 式 平 衡 器 电 缆 绕 圈 扼 流 式 平 衡 器 双 线 并 绕 式 平 衡 器 对 称 式 平 衡 器 双 线 平 衡 器 单 线 对 称 式 平 衡 器 反 相 式 平 衡 器 λ/2 U 形 环 反 接 ( 倒 相 ) 式 平 衡 器 磁 耦 合 式 平 衡 器 平 衡 器 的 共 模 抑 制 比 28 第 4 章 天 线 天 线 的 基 本 特 性 对 称 天 线 半 波 振 子 折 合 振 子 全 波 振 子 八 木 天 线 等 比 结 构 天 线 ( 对 数 周 期 天 线 ) 非 对 称 天 线 偶 极 子 双 锥 与 盘 锥 天 线 单 极 子 倒 F 天 线 ( 接 地 中 馈 单 极 子 ) 双 频 天 线 环 天 线 圆 极 化 天 线 关 于 极 化 螺 线 天 线 38 2

3 4.5.3 介 质 天 线 圆 极 化 全 向 天 线 阵 列 天 线 概 述 阵 列 方 向 图 阵 列 的 馈 电 方 式 4 第 5 章 测 试 概 述 名 词 与 术 语 反 射 系 数 传 感 头 扫 频 仪 与 标 网 矢 网 其 它 测 试 仪 器 各 种 测 试 附 件 开 路 器, 短 路 器 与 参 考 面 校 正 问 题 三 项 校 正 的 有 效 性 关 于 误 差 安 全 注 意 事 项 关 于 地 49 第 6 章 传 输 线 测 试 测 电 缆 回 损 ( 也 称 测 驻 波 或 S 11 ) 测 电 缆 插 损 ( 也 称 测 衰 减 或 S 21 ) 同 轴 电 缆 电 长 度 的 测 量 时 域 故 障 定 位 法 测 电 缆 电 长 度 江 苏 省 电 视 塔 32 频 道 上 下 馈 管 长 度 差 的 测 试 同 轴 电 缆 的 时 域 故 障 定 位 检 查 射 频 同 轴 电 缆 特 性 阻 抗 Z C 的 测 试 53 第 7 章 元 器 件 测 试 衰 减 器 的 测 量 单 支 节 匹 配 实 验 功 率 分 配 器 的 测 量 隔 离 器 的 测 量 定 向 耦 合 器 的 测 量 集 中 参 数 滤 波 器 实 验 射 频 下 电 容 有 效 串 连 电 阻 ESR 的 测 试 67 第 8 章 天 线 调 试 天 线 测 试 项 目 天 线 测 试 的 特 殊 性 中 波 发 射 天 线 的 测 试 69 3

4 8.4 通 过 电 缆 测 单 极 子 天 线 阻 抗 的 问 题 用 LC 双 元 件 在 中 波 进 行 匹 配 的 思 路 超 高 频 天 线 的 匹 配 调 试 两 天 线 法 测 天 线 增 益 天 线 方 向 图 测 试 圆 极 化 天 线 的 测 试 测 瓷 介 质 天 线 的 轴 比 判 别 瓷 介 贴 片 天 线 圆 极 化 的 旋 向 78 第 9 章 其 它 关 于 噪 声 电 阻 噪 声 功 率 P 噪 声 系 数 F 用 Y 因 子 法 测 量 F 电 视 台 场 强 公 式 自 由 空 间 的 场 强 公 式 地 平 面 的 影 响 考 虑 地 平 面 影 响 后 的 场 强 E 关 于 互 调 测 材 料 射 频 电 磁 参 数 的 几 种 方 法 简 介 双 面 覆 铜 板 ε r 与 Q 的 测 量 用 λ/2 短 路 线 测 ε r 介 质 探 头 及 其 使 用 垫 圈 法 双 锥 同 轴 线 法 88 附 录 9 5Ω 电 缆 衰 减 对 频 率 曲 线 9 5Ω 电 缆 功 率 容 量 对 频 率 曲 线 91 功 率 dbm 与 5Ω 线 上 电 压 对 照 表 92 频 段 划 分 与 波 长 对 照 表 93 反 射 不 确 定 度 4dB 时 测 试 正 常 示 值 范 围 94 驻 波 比, 回 损 与 反 射 系 数 对 照 表 95 订 正 实 用 射 频 技 术 96 4

5 第 1 章 基 本 电 路 知 识 这 里 假 定 读 者 是 个 非 电 专 业 人 士, 要 干 射 频 技 术 工 作, 让 我 们 从 零 开 始, 从 头 谈 起 通 常 讲 电 皆 从 摩 擦 生 电 开 始 在 冬 天 晚 上 脱 衣 服 时 会 听 到 劈 劈 啪 啪 的 打 火 声 ; 这 个 现 象 就 是 摩 擦 生 电 这 种 电 叫 静 电, 它 不 能 持 续 供 电, 而 且 通 常 是 有 害 的 ; 不 去 管 他 让 我 们 从 能 持 续 供 电 的 直 流 电 开 始 1.1 直 流 电 路 几 个 名 词 电 源 能 持 续 供 电 的 东 西 或 设 备 称 电 源 电 源 有 两 个 极, 一 正 一 负 电 源 必 须 有 电 动 势 才 能 对 外 供 电, 而 供 电 的 大 小 又 取 决 于 负 载 的 大 小 以 及 电 源 的 额 定 电 流 与 容 量 电 动 势 说 玄 些 他 是 一 种 势 能, 说 白 了 他 就 是 电 源 能 提 供 的 最 高 电 压 ( 空 载 电 压 ) 电 压 用 电 压 表 或 三 用 表 电 压 档 量 出 的 伏 特 数 负 载 所 有 用 电 的 东 西 或 设 备, 对 电 源 而 言, 统 称 为 负 载 ; 而 不 管 你 是 灯 泡 或 是 马 达 电 流 当 电 源 与 负 载 用 两 根 导 线 连 通 时, 就 会 有 电 流 流 通 ; 可 串 入 电 流 表 或 三 用 表 电 流 档 测 量, 单 位 为 安 培 一 个 最 简 单 的 电 路 图 左 图 中 : E 为 电 动 势 r 为 电 池 内 阻 S 为 开 关 R 为 负 载 电 阻, 单 位 为 欧 姆 Ω I 为 廻 路 电 流 V 开 关 断 开 时 为 E, 开 关 接 通 后 为 负 载 两 端 电 压 降 根 据 欧 姆 定 律, 负 载 上 的 电 压 降 V 等 于 电 流 I 与 电 阻 R 的 乘 积, 即 V=IR( 也 可 写 成 I=V/R, 或 R=V/I). 现 在 廻 路 中 有 两 个 电 阻 要 串 连 E ER 起 来, 所 以 I =, V = IR = R + r R + r 在 一 个 廻 路 中, 有 个 规 律 : V = 即 沿 廻 路 走 一 圈, 电 动 势 刚 好 用 在 抵 消 电 压 降 上 面, 两 者 刚 好 相 等 相 反 两 者 皆 为 电 压, 皆 用 伏 特 为 单 位 ; 但 电 源 为 供 电 方, 又 称 主 动 的 或 有 源 的 ; 而 负 载 为 用 电 方, 又 称 被 动 的 或 无 源 的 两 点 之 间 的 电 压 可 以 随 意 用 表 笔 测 量, 但 测 量 电 流 却 需 将 电 流 表 串 入 廻 路 中 才 能 测 量 功 率 与 用 电 量 电 力 的 大 小 用 功 率 P 表 示 : 2 2 P = VI, 也 可 写 成 P = I R = V / R 功 率 的 单 位 为 瓦 特 Watt, 简 称 瓦 W 常 用 千 瓦 kw 设 备 的 能 力 有 时 也 用 伏 安 表 示 用 电 量 与 时 间 成 正 比, 常 用 千 瓦 小 时 为 单 位, 俗 称 度 电 池 的 容 量 用 安 时 或 瓦 时 为 单 位,1 安 时 表 示 若 用 1 安 培 电, 可 以 维 持 1 小 时 电 阻 电 阻 是 一 种 不 良 导 体 制 成 的 器 件, 有 多 种 型 号 与 规 格, 常 用 做 负 载 与 电 热 器 电 阻 的 1

6 单 位 为 欧 姆 Ω 另 外 无 形 的 电 阻 到 处 都 是, 如 电 源 的 内 阻 还 有 导 线 的 内 阻 等 等, 通 常 忽 略, 需 要 时 才 计 及 电 阻 的 串 联 与 并 联 电 阻 的 串 联 很 简 单, 将 各 个 阻 值 相 加 即 得 总 阻 值 R Σ R Σ = R1 + R R n 电 阻 的 并 联 比 较 麻 烦, 先 求 得 各 个 电 阻 的 电 导 值, 再 将 各 个 电 导 值 相 加 得 到 总 电 导 R = 1 Σ GΣ 值 G ; 然 后 取 其 倒 数 即 得 总 阻 值 电 阻 Σ 与 电 导 互 为 倒 数 电 导 G 的 单 位 为 西 门 子 S G = 1, R G Σ = G G2 + G n 线 圈 电 流 流 通 后, 会 产 生 磁 场 H, 为 了 加 强 磁 场, 将 线 绕 成 圈 状, 总 磁 场 为 圈 数 与 电 流 的 乘 积 单 位 为 安 匝 在 线 圈 中 加 上 铁 心 后 增 加 了 磁 感 应 强 度 B, 而 B = μh μ 为 导 磁 率 ( 一 般 指 相 对 导 磁 率 ), 其 值 在 空 气 中 为 1, 好 的 磁 芯 可 以 上 万 而 磁 力 正 比 于 磁 感 应 强 度 B, 因 此 电 磁 铁 因 为 有 了 铁 心, 其 磁 力 大 大 增 强 磁 铁 有 两 个 极, 南 极 S 与 北 极 N 同 性 相 斥, 异 性 相 吸 相 吸 作 用 常 用 来 制 成 电 磁 铁 继 电 器 力 矩 马 达 等, 相 斥 作 用 的 最 大 胆 的 应 用 就 是 悬 浮 列 车 电 容 两 个 互 相 绝 缘 的 导 体 之 间 存 在 着 电 容, 电 容 对 电 荷 有 存 储 作 用, 常 用 来 消 除 动 接 点 之 间 的 火 花, 以 及 整 流 后 的 滤 波 电 容 的 单 位 有 法 拉 F, 微 法 (µf 即 1-6 F), 微 微 法 (pf 即 1-12 F) 电 容 的 大 小, 可 用 电 容 表 测 出 也 可 以 用 公 式 算 出 :C=.8854εrA/t 式 中 εr 为 相 对 介 电 常 数, 如 空 气 的 相 对 介 电 常 数 为 1, 聚 四 氟 乙 烯 约 2, 聚 乙 烯 约 2.3 等 等 A 为 面 积, 单 位 mm 2 t 为 间 距, 单 位 mm 例 如 1mm 见 方, 间 距 1mm 其 电 容 约.9pF 直 流 电 的 应 用 2

7 几 乎 所 有 的 电 子 设 备 与 自 动 化 设 备 都 要 用 直 流 电 供 电, 手 持 式 设 备 靠 电 池 供 电 直 流 电 的 缺 点 是 有 极 性, 接 反 了 不 工 作 甚 至 造 成 损 坏 电 话 机 内 采 用 桥 式 整 流 电 路, 巧 妙 地 解 决 了 这 个 问 题 直 流 电 的 调 压 原 来 是 个 问 题, 现 已 有 所 改 变, 甚 至 也 有 用 直 流 高 压 输 电 的, 以 减 小 线 上 损 耗 总 而 言 之, 人 们 是 离 不 开 直 流 电 了 1.2 交 流 电 路 楞 次 定 律 楞 次 发 现 在 线 圈 中 插 入 或 抽 出 磁 铁 时, 线 圈 两 端 会 有 感 生 电 压 V 产 生 dφ V = n 式 中 n 为 线 圈 圈 数,φ 为 总 磁 通 φ = BA, B 为 磁 感 应 强 度,A 为 面 积 dt 先 不 管 公 式, 只 看 其 物 理 意 义 : 线... 圈 两 端 感 生 的 电 压 V. 等... 于 圈 数 与 磁 通 变 化 率 的 乘 积 这 个 电 压 是 电 动 势, 负 号 表 示 为 反 电 动 势, 反 电 动 势 将 产 生 电 流 以 抵 消 磁 通 的 变 化 原 理 示 意 性 交 流 发 电 机 在 一 对 线 圈 的 磁 路 中, 装 入 一 个 能 旋 转 的 磁 铁 连 续 旋 转 磁 铁, 线 圈 两 端 感 生 的 电 压 为 V( 不 管 负 号 ) V = V Sin ω t + φ ) m ( o 磁 铁 旋 转 时, 磁 通 变 化 率 天 生 的 为 正 弦 波 Vm 为 电 压 最 大 值,ω 为 角 频 率, 实 质 为 角 速 度 t 为 时 间,Φ 为 初 相 电 压 时 正 时 负, 电 流 交 替 换 向, 是 为 交 流 幅 度 Vm 为 电 压 最 大 值,Ve 为 有 效 值 Ve=.77Vm 市 电 22 伏 是 有 效 值,Vm=311V 交 流 电 的 瞬 时 功 率 是 随 时 在 变 的, 在 半 个 周 期 内 的 总 功 率 与 用 直 流 电 供 电 的 功 率 相 等 的 情 况 下, 直 流 电 只 需 Ve 的.77 倍 这 就 是 有 效 值 的 来 源 通 常 皆 用 有 效 值 ω=2πf, 频 率 f 为 每 秒 周 期 数. 单 位 为 赫 兹 Hz, 简 称 赫 市 电 频 率 为 5 赫 Φ 为 初 相, 表 示 t= 时 的 相 位 角 对 于 单 个 信 号, 它 是 没 有 太 多 意 义 的 当 处 理 两 个 或 两 个 以 上 同 频 ( 相 干 ) 信 号 时, 必 须 考 虑 它 们 之 间 的 相 位 差, 也 就 是 初 相 差 关 于 复 数 ( 矢 量 ) 的 简 单 运 算 在 中 学 就 知 道, 1 为 虚 数, 写 成 i 而 在 搞 电 的 人 为 了 避 免 与 电 流 相 混, 写 成 j 的 确,, 假 如 在 一 根 线 上 看 问 题, 比 如 x 轴, 由 零 开 始, 向 右 到 +, 向 左 到 -, 中 间 找 不 到 1, 所 以 称 之 为 虚 数 上 面 是 在 一 根 线 上 看 问 题, 或 者 说 在 一 维 上 看 问 题 现 在 让 我 们 在 一 个 平 面 上 看 问 题, 也 就 是 两 维 问 题 在 全 国 地 图 上, 以 南 京 为 原 点, 向 东 可 到 上 海, 向 北 可 到 北 京 向 北 是 到 不 了 上 海 的, 向 东 也 是 到 不 了 北 京 的 东 西 (x 轴 ) 与 南 北 (y 轴 ) 是 相 互 独 立 相 互 正 交 的 两 个 坐 标, 即 直 角 坐 标 平 面 上 任 何 一 点 可 用 (x,y) 来 表 明 平 面 上 任 何 一 点 也 可 用 ( ρ, θ ) 来 表 示 3

8 x = ρ cosθ, y = ρ sinθ θ 单 位 矢 量 e j = cosθ + j sinθ, 这 是 一 个 定 理, 也 是 一 个 定 义 当 然 矢 量 也 可 写 成 X+jY. o 矢 量 也 就 是 用 复 数 来 表 示 的 一 个 量 单 位 矢 量 当 θ = 9 时 就 是 j, 也 就 是 说 j 就 是 Y 轴 的 单 位 矢 量 虚... 数 不 虚, 只 是 方 向 不 同 而 已 矢 量 的 分 解 与 合 成 ρe j θ = ρ cos θ + jρ sinθ = x + jy 2 2 y ρ = x + y, θ = tan 1 对 于 交 流 信 号, ρ 为 幅 度,θ 为 相 位 x 矢 量 的 加 减 将 矢 量 各 个 分 解 后, 实 部 与 实 部 相 加 减, 虚 部 与 虚 部 相 加 减 后, 再 合 成 两 矢 量 的 乘 除 用 矢 量 表 示 式, 幅 度 相 乘 除, 相 位 相 加 减 即 得 矢 量 的 开 方 用 矢 量 表 示 式, 将 幅 度 开 方, 相 位 除 以 2 即 得 如 1 = e 18o, 则 o j9 1 = e = j, 再 一 次 证 明 : 虚... 数 不 虚, 只 是 方 向 不 同 而 已 交 流 下 的 电 感 与 电 容 交 流 下 的 线 圈 呈 电 感 性, 电 感 L 的 单 位 为 亨 利 H, 可 用 电 感 表 测 出 交 流 下 的 电 感 表 现 为 电 抗, 其 值 为 jω L, 与 频 率 有 关 电 流 比 电 压 的 相 位 落 后 9 度 交 流 下 的 电 容 也 表 现 为 电 抗, 其 值 为 1, 与 频 率 有 关 电 流 比 电 压 的 相 位 领 先 9 度 jωc 交 流 下 的 阻 抗 电 流 与 功 率 除 了 纯 电 阻 的 加 热 器 外, 一 般 负 载 既 有 电 阻 R, 又 有 电 抗 jx, 故 称 阻 抗 Z, Z=R+jX 此 时 负 载 上 的 电 压 V 电 流 I 关 系 为 : I = V = R + jx V Z e jθ = V Z e jθ 由 于 电 压 与 电 流 有 了 相 位 差 φ, 所 以 功 率 P = VI = V I cosφ + jv I sinφ 前 一 项 为 有 功 功 率, 后 一 项 为 无 功 功 率 所 以 交 流 电 的 功 率 值 要 对 伏 安 值 打 折 扣 CosΦ, 这 个 折 扣 称 为 功 率 因 数 变 压 器 交 流 电 有 个 优 点, 能 通 过 变 压 器 改 变 电 压 在 一 个 磁 芯 上 绕 两 组 线 圈, 输 入 端 称 初 级, 输 出 端 称 次 级 初 次 级 电 压 比 即 两 者 的 圈 数 比 比 如 要 将 市 电 22V 变 成 1V, 则 圈 数 比 为 22:1 假 如 你 初 级 绕 22 圈, 次 级 绕 1 圈, 那 是 要 出 事 的 因 为 短 路 了 空 载 电 流 一 般 设 计 为 满 载 电 流 的 十 分 之 一, 这 里 有 个 每 伏 最 少 圈 数 问 题 它 与 磁 芯 截 面 积 成 反 比, 如 截 面 积 为 1 平 方 厘 米 时, 每 伏 约 4 圈 即 初 级 绕 88 圈, 次 4

9 级 绕 4 圈 ( 考 虑 到 有 内 阻 造 成 的 电 压 降, 需 适 当 多 绕 ) V / V = N N / 2 初 次 级 电 流 比 与 圈 数 成 反 比 ( 由 功 率 相 同 或 磁 通 相 同 皆 可 得 此 结 论 ) 阻 抗 Z= 电 压 V/ 电 流 I, 所 以 初 次 级 的 阻 抗 比 为 圈 数 比 的 平 方 这 个 特 点 可 用 来 做 阻 抗 匹 配 如 输 出 级 内 阻 为 2Ω, 而 负 载 为 5Ω, 则 需 要 接 一 个 圈 数 比 为 2:1 的 变 压 器 变 压 器 也 可 做 成 自 耦 式 的 效 率 更 高, 滑 动 抽 头 可 作 成 调 压 器 自 耦 式 变 压 器 的 缺 点 是 初 次 级 不 隔 离, 容 易 触 电, 不 如 互 耦 式 的 安 全 整 流 电 路 半 导 体 二 极 管 半 导 体 是 单 向 导 通 的, 做 整 流 用 的 二 极 管 有 三 个 参 数, 正 向 导 通 压 降 ( 一 般 为.7 伏 ) 反 向 击 穿 电 压 与 额 定 电 流 半 波 整 流 全 波 整 流 桥 式 整 流 倍 压 整 流 5

10 5 倍 压 整 流 三 相 交 流 电 在 一 个 交 流 发 电 机 中, 绕 三 组 位 置 各 差 12 度 的 线 圈, 即 可 发 出 三 相 交 流 电 通 常 用 Y 接 法, 三 根 中 线 相 连, 三 根 火 线 分 别 引 出 ; 即 三 线 一 中 制 市 电 三 根 火 线 对 中 线 的 相 电 压 皆 为 22 伏, 两 根 火 线 之 间 的 线 电 压 为 38 伏 三 相 交 流 电 动 机 的 优 点 是 启 动 力 矩 大, 改 变 相 序 ( 交 换 两 根 火 线 ) 即 可 控 制 电 机 正 反 转 三 相 交 流 电 还 有 其 它 特 点, 不 再 多 谈 ; 通 常 还 是 用 单 相 电 的 多 三 相 电 连 接 示 意 图 如 左 1.3 高 频 电 路 泛 指 3 兆 赫 以 下 的 交 流 电 路, 而 且 只 考 虑 分 离 元 件 的 集 中 参 数 串 连 谐 振 当 电 感 与 电 容 串 连 当 成 一 个 元 件 时, 两 者 的 电 抗 在 某 个 频 率 下 会 抵 消 而 呈 现 很 低 的 输 入 阻 抗 ; 这 个 现 象 称 为 串 连 谐 振 j 1 Z = jωl 当 ω L = 时, ωc ω C 2 ω LC 1, = 1 f = 2π LC 这 就 得 到 谐 振 频 率 f 的 公 式 谐 振 时 输 入 阻 抗 很 低, 这 个 特 性 可 用 来 做 陷 波 器 并 联 到 电 路 中 以 抑 制 不 想 要 的 信 号, 在 频 响 上 造 成 一 个 零 点 注 意 : 由 于 元 件 是 有 耗 的, 零 点 并 不 能 真 正 为 零, 零 点 是 有 深 度 的, 一 般 零 深 -4dB 就 不 错 了 并 联 谐 振 当 电 感 与 电 容 并 连 当 成 一 个 元 件 时, 两 者 的 电 纳 在 某 个 频 率 下 会 抵 消 而 呈 现 很 高 的 输 入 阻 抗 ; 这 个 现 象 称 为 并 连 谐 振 假 定 电 容 无 耗, 电 阻 存 在 于 电 感 中 可 得 到 : Z in = r + jωl r + jω( L ω L C r = (1 ω ) + ω ω LC jrωc LC r C 2 C) 并 联 谐 振 有 两 种 提 法 : 输 入 阻 抗 为 纯 阻 与 输 入 阻 抗 最 大 6

11 2 输 入 阻 抗 为 纯 阻 时 : ω 1 r C (1 ) LC 2L L + 2r LC r C 输 入 阻 抗 最 大 时 : ω = 2 L C 当 忽 略 根 号 下 的 r 2 项 时, 结 果 是 输 入 阻 抗 最 大 与 为 纯 阻 时 相 同, 当 进 一 步 忽 略 r 2 C 时, 并... 联 谐 振 频 率 与 串 连 谐 振 频 率 相 同 通 常 也 都 是 这 样 做 的, 无 需 计 较 那 种 细 小 的 差 别 L 并 联 谐 振 时 的 输 入 阻 抗 Z in 在 本 节 第 一 式 中, 忽 略 分 子 中 的 r, 带 入 谐 振 条 Cr 件 (1-ω 2 LC=) 后 即 得 注 意 : 在 推 导 公 式 中, 经 常 要 忽 略 一 些 次 要 的 参 数, 否 则 得 不 到 既 简 单 又 足 够 准 确 的 公 式 并 联 谐 振 常 用 来 做 调 谐 廻 路, 有 时 也 用 做 阻 塞 网 络 以 抑 制 邻 台 干 扰 普 通 中 波 收 音 机 框 图 输 入 电 路 是 一 个 由 磁 棒 天 线 线 圈 与 可 变 电 容 组 成 的 调 谐 廻 路, 由 一 个 圈 数 少 的 线 圈 耦 合 到 混 频 器 再 与 本 振 信 号 混 频 后 经 滤 波 器 得 到 中 频 信 号, 再 经 中 频 放 大 器 检 波 器 低 频 放 大 器 送 到 喇 叭 虽 然 已 有 单 片 电 路 集 成 块, 但 下 面 仍 然 分 段 加 以 介 绍 调 谐 廻 路 收 音 机 中 调 谐 廻 路 是 用 来 改 善 信 号 杂 波 比 ( 简 称 信 杂 比 S/C) 的, 尤 其 是 要 对 镜 频 进 行 抑 制 调 谐 廻 路 亦 称 槽 路, 通 常 是 线 圈 L 与 电 容 C 并 联 的 并 联 谐 振 廻 路 线 圈 有 个 品 质 因 数, 称 优 质 Q, Q = ωl, 为 了 减 小 电 阻, 小 信 号 常 用 多 股 线, 高 功 率 r 下 常 用 铜 管 调 谐 廻 路 有 个 耦 合 问 题, 输 入 与 输 出 端 皆 为 高 阻 抗 时, 可 以 直 接 并 联 上 去 或 通 过 耦 合 电 容 耦 合 上 去 ; 输 入 与 输 出 端 若 为 低 阻 抗 时, 则 要 对 线 圈 进 行 抽 头 或 用 较 少 圈 数 的 线 圈 耦 合 上 去 以 降 低 耦 合, 否 则 调 谐 廻 路 将 起 不 了 调 谐 作 用 混 频 直 接 对 高 频 信 号 进 行 处 理 是 不 行 的, 电 台 太 多, 选 择 性 太 低 分 不 开 混 频 是 将 高 频 信 号 频 率 fs 与 本 地 振 荡 器 ( 简 称 本 振 ) 信 号 频 率 fl 拍 频 得 到 中 频 信 号 fi 的 拍 频 后 产 生 两 个 信 号 : 由 平 面 三 角 积 化 和 公 式 可 推 得 : 信 号 频 率 fs 的 信 号 与 本 振 频 率 fl 的 信 号 相 乘 后, 得 到 fl+fs 与 fl-fs 两 个 频 率 的 信 号 ; 滤 掉 fl+fs, 保 留 fl-fs 信 号, 这 就 得 到 了 频 率 较 低 的 中 频 信 号 fi 普 通 收 音 机 的 中 频 为 465KHz 由 于 频 率 较 低, 而 且 是 固 定 的, 这 就 容 易 制 成 窄 带 高 增 益 的 中 频 放 大 器 ; 从 而 解 决 了 选 择 性 的 问 题 7

12 混 频 器 可 由 乘 法 器 开 关 或 非 线 性 器 件 制 成, 有 现 成 的 双 平 衡 混 频 器 可 以 买 到 fs+fl 的 信 号 也 可 能 是 中 频, 这 个 频 率 称 镜 频, 要 通 过 高 频 输 入 端 的 调 谐 廻 路 抑 制 掉 本 振 在 接 收 机 中 用 来 做 混 频 参 考 信 号 的 振 荡 器 称 为 本 振 中 波 收 音 机 中 的 本 振 就 是 一 个 自 激 振 荡 器, 由 可 变 电 容 调 台 可 变 电 容 为 双 连, 一 连 给 本 振, 一 连 给 输 入 调 谐 廻 路 这 里 有 个 统 调 问 题, 一 般 只 能 做 到 两 点 统 调 低 端 靠 垫 振 电 容, 高 端 靠 补 偿 电 容 高 级 接 收 机 中 的 本 振 是 频 率 综 合 器, 可 用 数 字 输 入 调 台 中 放 中 频 放 大 器 简 称 中 放, 中 放 由 带 通 滤 波 器 与 放 大 器 组 成 可 由 中 周 变 压 器 得 到 带 通, 也 可 由 三 端 陶 瓷 滤 波 器 得 到 带 通 接 收 机 的 增 益 主 要 来 自 中 放, 因 此 自 动 控 制 中 放 增 益 可 以 使 得 各 个 台 声 音 一 样 大 (AVC), 有 时 也 称 自 动 增 益 控 制 (AGC) 检 波 器 中 频 信 号 需 要 经 过 检 波 才 能 得 到 音 频 信 号 调 幅 检 波 器 与 半 波 整 流 电 路 相 同, 只 不 过 旁 路 电 容 小 些 而 已 时 间 常 数 要 比 中 频 周 期 大 以 便 滤 掉 中 频, 但 要 比 音 频 周 期 小 以 免 压 掉 高 音 时 间 常 数 为 电 阻 与 电 容 的 乘 积, 如 负 载 R=1Ω, 旁 路 电 容 C=1pF 则 时 间 常 数 τ 为 1µS 检 波 器 有 两 路 输 出, 一 路 供 音 频 放 大, 一 路 供 AVC 放 大 器 与 跟 随 器 放 大 器 有 各 种 模 块, 根 据 参 数 选 用 即 可 放 大 器 的 主 要 参 数 为 用 db 表 示 的 增 益, 不 同 场 合 还 有 特 殊 要 求 如 前 放 要 求 噪 声 系 数 低, 功 放 则 要 求 输 出 功 率 大 放 大 器 可 加 负 反 馈 以 降 低 放 大 倍 数 来 换 取 其 它 性 能 的 改 善, 如 反 馈 系 数 为 β, 原 放 大 倍 A 数 为 A, 负 反 馈 好 后 放 大 倍 数 为 A, 则 A = 1 βa 当 全 部 负 反 馈 时 (β=-1), A 1 放 大 器 变 成 跟 随 器 虽 然 不 放 大 电 压, 却 放 大 了 电 流 从 而 输 入 阻 抗 很 高, 而 输 出 阻 抗 很 低 常 用 做 探 头 等 要 求 输 入 阻 抗 高 而 输 出 阻 抗 低 的 场 合 匹 配 与 共 轭 匹 配 级 与 级 之 间, 尤 其 是 输 出 级 与 负 载 之 间 有 个 匹 配 问 题 也 就 是 负 载 应 选 多 大 才 能 使 得 输 出 功 率 最 大 2 V 2 P = I R = ( ) R R + r 设 R = r 时 输 出 功 率 为 P o 负 载 大 小 与 输 出 功 率 的 几 个 计 算 值 负 载 R/r 输 出 P/P 可 见 R=r 时, 输 出 功 率 最 大 匹 配 对 输 出 管 而 言, 要 求 源 内 阻 等 于 负 载 电 阻 当 两 者 之 一 带 有 电 抗 分 量 时, 除 要 求 源 内 阻 等 于 负 载 电 阻 外, 还 要 求 另 一 部 分 带 有 相 等 相 反 的 电 抗 与 之 相 消, 这 就 叫 共 轭 匹 配 注 意 : 匹 配 时 的 效 率 只 有 5%, 这 对 弱 电 是 可 行 的, 对 强 电 来 说 是 不 允 许 的 8

13 第 2 章 传 输 线 与 常 用 传 输 器 件 2.1 传 输 线 知 识 特 性 阻 抗 在 直 流 或 低 频 时, 各 器 件 或 各 设 备 之 间 互 连 时, 随 意 拉 两 根 线 就 行 了 当 频 率 高 到 长 度 与 波 长 可 比 时, 就 要 用 同 轴 线 或 双 绞 线 连 接 了 而 且 连 接 时 要 采 用 连 接 器, 否 则 会 造 成 失 配 甚 至 乱 辐 射 以 致 不 能 正 常 工 作 传 输 线 是 用 来 传 输 的, 要 不 辐 射, 最 简 单 的 方 法 就 是 加 个 屏 蔽 套, 做 成 屏 蔽 线 尺 寸 均 匀, 做 成 同 轴 状 的 传 输 线 称 为 同 轴 线, 内 充 介 质 便 于 弯 曲 的 同 轴 线 称 为 同 轴 电 缆 或 射 频 电 缆 电 波 在 同 轴 线 内 传 输 时, 必 须 尺 寸 均 匀 才 能 顺 畅, 否 则 会 产 生 反 射 因 此 同 轴 线 互 连 时 有 个 规 格 或 参 数 问 题, 必 须 参 数 相 同 才 行 ; 这 个 参 数 就 是 特 性 阻 抗 Z C, 有 时 也 写 成 Z. 习 惯 上 Z 表 示 5Ω, 而 Z C 泛 指 特 性 阻 抗 无 穷 长 的 同 轴 线 缆 肯 定 是 没 有 反 射 的, 这 时 他 的 输 入 阻 抗 称 为 特 性 阻 抗 一 段 线 输 出 端 接 上 一 个 负 载, 假 如 输 入 端 没 有 反 射 的 话, 这 个 负 载 的 阻 抗 就 是 这 段 线 的 特 性 阻 抗 同 轴 线 的 特 性 阻 抗 公 式 为 6 D ZC= ln d εe 为 同 轴 线 内 充 填 介 质 的 有 效 介 电 常 数 D 为 外 导 体 内 径,d 为 内 导 体 外 径, 如 左 图 所 示 特 性 阻 抗 是 一 个 由 尺 寸 与 介 质 决 定 的 电 参 数 为 了 减 少 品 种, 常 用 5Ω. 空 气 同 轴 线 用 75Ω 插 损 最 小, 对 于 充 介 质 的 同 轴 电 缆 就 是 5Ω 插 损 最 小 反 射 系 数 一 段 线 接 上 输 入 阻 抗 为 特 性 阻 抗 的 负 载 是 没 有 反 射 的, 这 种 负 载 称 为 终 端 负 载 或 精 密 负 载 以 它 为 参 考, 通 常 认 为 它 的 反 射 为 零 假 如 一 段 线 接 上 其 它 不 匹 配 的 负 载 Z L, 必 然 有 反 射 这 个 反 射 必 然 正 比 于 两 者 的 差 异, 这 就 出 现 了 反 射 系 数 Г 这 样 一 个 参 数 Z L Γ = 虽 然 Г 是 个 最 原 始 的 参 数, 也 是 测 量 出 的 参 数, 但 由 于 是 复 数, 一 般 Z L Z + Z 人 并 不 习 惯 用 它 习 惯 上 描 述 不 匹 配 的 程 度 常 用 回 损 RL, 或 驻 波 比 SWR 返 回 损 失 ( 回 损 )= 2log Γ db, 由 于 Γ 1, 一 般 为 负 值, 但 习 惯 上 不 讲 负 号 ε e 驻 波 比 S.W.R,= ρ= V V max min 1+ Γ = 1 Γ 当 Г <<1 时 ρ=1+2 Г, 有 时 也 会 用 到 Γ =(ρ-1)/ 2 这 是 一 个 天 馈 线 中 最 常 见 的 一 个 技 术 指 标, 英 文 缩 写 为 S.W.R, 也 有 用 V.S.W.R, 即 强 调 是 电 压 之 比 线 上 电 压 因 反 射 的 存 在 而 出 现 有 高 有 低 的 现 象 并 不 是 我 们 希 望 的, 我 们 希 望 Г, 也 就 是 ρ 1 一 般 应 用 时 ρ 1.5 即 可, 有 的 场 合 要 求 ρ 1.1 驻 波 比 这 个 指 标 是 原 来 用 测 量 线 时 测 出 的 指 标, 现 在 谁 也 不 用 测 量 线 了, 但 仍 然 习 惯 这 个 指 标 9

14 2.1.3 史 密 斯 圆 图 引 入 Γ 这 个 参 量 后 ( 或 者 说 采 用 复 数 变 换 后 ), 让 我 们 试 试 自 己 画 张 圆 图 由 于 Γ 为 一 复 数, 其 绝 对 值 Γ 1, 这 就 可 在 一 张 纸 上, 以 纸 中 心 为 圆 心 ( 原 点 ), 以 半 径 为 1 画 一 个 圆 对 于 A4 幅 面 可 取 1mm 为 1, 以 充 分 利 用 纸 的 幅 面 并 且 易 于 分 度 在 反 射 系 数 Г 式 中, 将 Z 除 以 Z, 即 令 z=z/z, r=r/z, x=x/z, 即 用 归 一 化 阻 抗 Γ = z z 1 = + 1 r + r + jx 1 jx + 1 可 以 化 简 得 到 等 阻 圆 与 等 抗 圆 等 阻 圆 为 一 偏 心 圆 族, 圆 心 在 ( r 1+ r, 1 ), 半 径 为 如 左 图 所 示 1+ r 有 时 要 用 直 角 坐 标 表 示 Γ=I+jQ,I 为 同 相 分 量 ( 或 X 分 量 ),Q 为 正 交 分 量 ( 或 Y 分 量 ) I Q r = 2 (1 I) + Q 2 等 抗 圆 为 圆 心 在 (1, x 1 ), 半 径 为 x 1 的 圆 族, 上 面 为 正, 下 面 为 负 如 左 图 所 示 也 可 用 直 角 坐 标 表 示 2Q x = 2 (1 I) + Q 2 合 在 一 起, 即 得 史 密 斯 圆 图 史 密 斯 圆 图 的 高 明 之 处 (1) 四 个 无 穷 大 重 合 在 一 个 点 上 (1 ), 并 联 谐 振 电 路 的 输 入 阻 抗 就 很 好 图 示 了, (2) 角 度 是 连 续 的, 没 有 突 跳 问 题 但 有 模 糊 问 题 (3) 总 的 概 念 匹 配 的 概 念 很 明 确, 如 同 打 靶, 点 迹 越 靠 近 圆 图 中 心 越 好 (4) 阻 抗 与 导 纳 兼 容 阻 抗 圆 图 上 适 于 作 串 联 运 算, 若 要 作 并 联 运 算 时, 就 要 转 成 导 纳 ; 在 圆 图 上 这 非 常 容 易, 某 一 点 的 反 对 称 点 即 其 导 纳 请 记 住 当 时 的 状 态, 作 阻 抗 运 算 时 图 上 即 阻 抗, 当 要 找 某 点 的 导 纳 值 时, 可 由 该 点 的 矢 徑 转 18 即 得 ; 1

15 此 时 圆 图 所 示 值 即 全 部 成 导 纳 状 态 不 能 记 错, 否 则 出 错 记 住, 只 在 一 个 圆 图 上 转 阻 抗 与 导 纳, 千 万 不 要 再 引 入 一 个 导 纳 圆 图, 那 除 了 把 你 弄 昏 外, 别 无 任 何 好 处 再 请 记 住 一 点, 不 管 它 是 负 载 端 还 是 源 端, 只 要 我 们 向 里 面 看, 它 就 是 负 载 端, 永 远 按 离 开 负 载 方 向 为 正 转 圆 图, 不 要 用 源 端 作 参 考, 否 则 又 要 把 人 弄 昏 圆 图 作 为 输 入 阻 抗 特 性 的 表 征, 用 作 简 单 的 单 节 匹 配 计 算 是 非 常 有 用 的, 非 常 直 观, 把 复 杂 的 运 算 用 简 单 的 形 象 表 现 出 来, 概 念 清 楚 但 对 于 多 节 级 连 的 场 合, 还 是 编 程 由 计 算 机 计 算 来 得 方 便 注 意 : 史 密 司 圆 图 理 解 起 来 有 一 定 难 度, 不 会 推 导 没 有 关 系, 但 要 会 看 水 平 轴 为 实 数 轴, 上 半 面 偏 电 感, 下 半 面 偏 电 容, 右 面 ( 严 格 讲 来 是 在 r=1 的 圆 内 ) 阻 值 偏 高, 左 面 ( 在 r=1 的 圆 外 ) 阻 值 偏 低, 因 此 将 负 载 频 响 特 性 画 在 圆 图 上, 那 匹 配 情 况 将 是 一 目 了 然 的, 该 采 取 什 么 措 施, 也 是 一 清 二 楚 的 要 强 调 的 是 参 考 面 的 问 题, 输 入 阻 抗 与 参 考 面 有 关 ; 在 那 里 校 开 短 路, 参 考 面 就 在 那 里 若 要 知 道 另 一 点 的 输 入 阻 抗, 就 要 移 参 参 考 面 要 尽 量 靠 近 需 要 调 配 的 地 方 2.2 常 用 同 轴 电 缆 第 一 个 字 母 一 般 为 S, 即 同 轴 射 频 电 缆 之 意 第 二 个 字 母 代 表 绝 缘 种 类 :Y 为 聚 乙 烯,F 为 氟 塑 料,D 为 稳 定 聚 乙 烯 支 撑 的 空 心 电 缆, U 为 聚 四 氟 乙 烯 等 第 三 个 字 母 表 示 护 套 材 料 :V 为 聚 氯 乙 烯,B 为 编 织 套,T 为 半 硬 铜 管 等 其 它 最 好 见 产 品 说 明 字 母 后 为 用 连 接 号 ( 口 语 称 扛, 也 有 称 划 的 ) 分 开 的 数 字 第 一 组 数 字 一 般 不 是 5 就 是 75 表 示 特 性 阻 抗 第 二 组 数 字 表 示 外 导 体 内 径 ( 或 绝 缘 支 撑 的 外 径 ) 第 三 组 数 字 为 结 构 序 号 如 一 般 最 常 用 的 电 缆 为 实 心 聚 乙 烯 绝 缘 的 SYV 5 3 比 较 便 宜, 比 较 软, 但 屏 蔽 性 能 不 太 好 好 一 些 的 为 氟 塑 料 SFF 5 3, 但 价 格 贵 1 倍 内 部 连 线 在 频 率 较 高 时 ( 比 如 2GHz 以 上 ) 最 好 采 用 半 硬 同 轴 线 SFT 系 列 或 半 软 SM 系 列 功 率 较 大 时 只 好 用 皱 纹 铜 管 SDY 系 列 附 录 中 有 5Ω 同 轴 线 缆 参 数 曲 线 电 缆 越 粗, 损 耗 越 小, 但 不 能 粗 到 同 轴 线 平 均 周 长 = 使 用 波 长 (π ε e (D+d)/2 =λ) 此 时 将 出 现 高 次 模, 破 坏 正 常 工 作 εe 为 有 效 相 对 介 电 常 数 d 与 D 分 别 为 内 外 导 体 直 径 公 式 改 用 频 率 更 方 便 些 : f C 191 = 如 D125 馈 管 只 宜 用 在 8MHz 以 下 ( D + d) ε e 2.3 连 接 器 常 用 同 轴 连 接 器 N 型 连 接 器 ( 详 见 国 标 GB ) 这 是 一 种 最 常 用 的 连 接 器 外 导 体 内 径 D=7 内 导 体 外 径 d=3.4 D/d=2.3 以 满 足 特 性 阻 抗 为 5Ω 的 要 求 老 式 N 型 连 接 器 阳 头 外 导 体 开 了 四 条 缝, 利 用 侧 面 接 触 后 来 发 现 2GHz 以 上 接 触 不 良, 新 式 的 不 开 缝, 利 用 端 面 接 触, 可 以 用 到 十 余 吉 赫 N 型 一 般 为 5Ω, 但 也 有 75Ω 的 问 题 是 75J 插 入 5K 会 不 通,5J 插 入 75K 会 损 坏 SMA 型 连 接 器 ( 详 见 国 标 GB ) 这 是 一 种 最 常 用 的 小 型 连 接 器 外 导 体 内 径 原 为 4.12, 现 在 已 与 3.5 混 用 了 螺 套 为 1/4 11

16 吋,36 牙 是 一 种 准 平 面 连 接 器, 可 以 用 到 二 十 余 吉 赫 标 准 是 5Ω, 但 也 有 人 用 75Ω 还 有 人 用 反 SMA, 与 SMA 内 导 体 的 插 针 与 插 芯 刚 好 相 反 用 意 可 能 是 为 了 保 护 仪 器 插 座, 但 是 没 有 标 准 可 循 BNC 型 连 接 器 ( 详 见 国 标 GB ) 这 是 一 种 卡 口 式 快 速 连 接 器, 与 已 废 型 的 国 产 Q9 差 不 多 常 用 做 视 频 连 接 器, 由 于 也 是 侧 面 接 触, 不 宜 用 于 较 高 频 率 常 用 5Ω, 但 也 有 人 用 75Ω, 尺 寸 相 同, 只 是 有 无 一 圈 塑 料 套 而 已 DIN 7-16 ( 详 见 169IEC) DIN 是 德 国 标 准 俗 称 丁 头 这 是 一 种 中 功 率 的 连 接 器, 常 用 于 基 站 天 线 D=16,d=7 螺 套 M29 1.5, 也 有 人 称 L29 的, 与 L27 只 是 螺 套 不 同, 其 它 相 同 老 式 的 外 导 体 也 是 开 花 片 侧 面 接 触, 现 已 改 成 端 面 接 触 最 高 使 用 频 率 为 8 吉 赫 由 于 尺 寸 大, 接 触 良 好, 容 易 通 过 三 阶 互 调 测 试 F 型 连 接 器 这 是 一 种 有 线 电 视 中 常 用 的 连 接 器, 属 75Ω 类 品 种 太 多, 有 公 制 的 也 有 英 制 的, 有 螺 套 的 也 有 快 插 的, 再 加 上 内 导 体 有.5 1 还 有 1.5 的 老 式 的 双 阴 用 簧 片, 适 应 范 围 很 大, 可 惜 匹 配 不 好 ; 内 导 体 改 成 圆 柱 状 插 芯 虽 好 但 品 种 太 多 法 兰 盘 连 接 器 这 是 大 功 率 馈 管 用 的 连 接 器, 详 见 国 标 GB ( 与 339IEC 相 通 ) D 有 以 及 155 多 种 连 接 器 设 计 的 几 点 考 虑 执 行 国 标, 不 宜 任 意 设 计, 至 少 配 合 尺 寸 要 一 致 国 内 走 过 一 段 弯 路, 不 用 N 型 而 用 L16,L16J( 阳 ) 会 顶 坏 NK( 阴 ) 199 年 已 宣 布 L16 废 型, 但 现 在 仍 然 有 人 在 用 我 们 曾 经 想 法 兼 容, 螺 套 仍 用 L16, 插 芯 缩 进 4. 但 是 后 来 放 弃 了, 因 为 螺 套 不 耐 磨, 更 重 要 的 是 缩 进 后, 反 射 电 桥 在 3GHz 时 很 难 调 外 导 体 用 侧 面 接 触 只 适 于 低 频, 频 率 高 了 要 用 端 面 接 触 连 接 器 后 面 压 电 缆 的 部 分 也 有 讲 究, 通 常 是 用 软 橡 皮 或 软 塑 料 压 住, 这 种 做 法 也 只 适 于 较 低 频 或 要 求 不 高 的 地 方 否 则 时 间 长 了 后 会 变 形, 改 变 了 外 导 体 尺 寸, 从 而 驻 波 比 变 坏 连 接 器 设 计 已 有 现 成 软 件 可 用 没 有 软 件 的 情 况 下, 对 于 支 撑 片 的 尺 寸, 我 们 是 通 过 时 域 测 试 试 出 来 的 2.4 阻 抗 变 换 器 ( 变 阻 器 ) 与 功 率 分 配 器 1/4 波 长 阻 抗 变 换 器 一 段 1/4 波 长 特 性 阻 抗 为 Z 的 同 轴 线 后 接 上 Z C L, 则 Z in 2 Z C =, 改 变 Z 即 可 得 到 所 需 的 阻 抗 为 了 增 加 带 宽, 可 作 成 多 节 的 多 节 的 设 计 请 C Z L 看 相 应 的 手 册 这 种 做 法 由 于 呈 受 功 率 高, 常 用 于 发 射 天 线 中 为 了 减 小 尺 寸, 还 有 一 种 短 阶 的, 也 要 请 看 相 应 的 手 册 在 平 衡 器 中, 也 有 几 种 有 变 阻 作 用 的, 但 不 宜 归 入 变 阻 器 类 线 绕 变 压 器 在 低 功 率 下, 尺 寸 做 小, 也 可 做 到 较 高 频 率 一 般 用 双 线 并 绕, 接 法 有 多 种 简 单 介 绍 如 下 : 4:1 的 几 种 做 法 自 耦 型 12

17 平 衡 器 法 串 并 连 法 一 边 并 连 另 一 边 串 连 的 方 法, 原 则 上 可 推 广 到 多 个 9:1 的 接 法 16:1 的 接 法 电 阻 性 阻 抗 变 换 器 在 测 试 中, 为 了 得 到 宽 带, 不 得 不 采 用 电 阻 来 做 阻 抗 变 换 器 如 常 用 的 5Ω 到 75Ω 的 变 换 器, 就 是 用 电 阻 做 的 插 损 5.7dB. 用 两 个 电 阻 即 可 作 到 两 端 视 入 皆 匹 配, 这 是 仪 器 设 备 常 用 的 方 法, 不 妨 自 己 推 导 一 下 13

18 5R 5 + R 2 + R1 = 2 R2 ( R1 + 75) 75, = 5 R + R 可 解 出 R1 = 43.3Ω, R2 = 86.6Ω 插 入 损 耗 为 5.7dB. 同 轴 线 变 阻 器 频 率 较 高 时, 在 放 大 器 模 块 中, 常 用 短 同 轴 线 做 变 阻 器 4:1 的 两 种 做 法 9:1 功 率 分 配 器, 简 称 功 分 器 当 一 路 送 往 多 路 时, 需 要 功 分 器 功 分 器 其 实 就 是 阻 抗 变 换 器 与 分 配 线 的 一 种 组 和 为 了 隔 离, 双 线 间 可 并 上 电 阻 两 路 对 称 时, 电 阻 两 端 同 电 位, 电 阻 不 起 作 用, 两 路 不 对 称 时, 不 对 称 的 分 量 会 消 耗 在 电 阻 上 下 面 是 一 张 2:1 功 分 器 的 照 片, 是 三 节 的 用 微 带 线 做 的, 是 低 功 率 的 单 支 节 匹 配 器 在 线 上 某 个 位 置 并 联 一 段 短 线 从 而 得 到 匹 配 的 方 法 称 为 单 支 节 匹 配 14

19 由 于 是 并 联, 计 算 时 用 导 纳 为 宜 在 线 上 ( 在 圆 图 上 转 圈 ) 总 可 以 找 到 一 个 位 置 其 输 入 导 纳 为 1±jb, 在 此 处 并 联 上 一 个 与 之 相 反 的 jb, 即 可 得 到 匹 配 由 于 微 带 线 上 短 路 不 方 便, 故 宜 在 1-jb 处 并 上 jb 为 宜 2.5 衰 减 器 固 定 式 衰 减 器 在 射 频 测 量 中 是 一 种 常 用 器 件, 标 准 衰 减 器 在 射 频 幅 度 测 量 中 是 用 来 作 校 正 的 常 规 衰 减 器 通 常 是 用 来 改 善 系 统 匹 配, 从 而 改 善 小 插 损 测 试 精 度 的 作 为 标 准 则 不 但 要 求 反 射 小, 而 且 衰 减 量 要 准 确 若 仅 仅 是 为 了 隔 离 以 改 善 测 插 损 精 度 的 这 种 固 定 衰 减 器 还 是 好 作 的 因 为 它 主 要 要 求 为 输 入 反 射 小, 而 并 不 要 求 衰 减 值 准 确 这 里 介 绍 两 种 形 式 的 常 规 衰 减 器, 这 在 1GHz 以 下, 在 微 带 线 上 串 并 分 立 电 阻 是 很 容 易 作 成 的, 作 到 3GHz 或 更 高 就 不 太 容 易 了 有 现 成 衰 减 片 出 售 ⑴ π 型 结 构 原 理 图 如 右 图, 要 求 Zi = Zo,V2 / V1 = T 由 于 只 有 两 个 节 点, 适 于 节 点 电 压 法 求 解, 经 过 推 导 ( 不 妨 自 己 推 一 下 ), 可 得 如 下 公 式 : R = Z 1+ T 1 T 2, R 1 = Z 1 T 2T 2 常 用 数 值 见 下 表 ` π 型 结 构 衰 减 值 与 阻 值 关 系 表 衰 减 db R2 Ω R1 Ω ⑵.T 型 结 构 原 理 图 如 右 图, 要 求 同 上 由 于 只 有 两 个 廻 路, 适 于 用 廻 路 电 流 法 求 解, 可 得 : R = Z 1 T 1+ T 2, R 1 = Z 2 R 2R 常 用 数 值 见 下 表 T 型 结 构 衰 减 值 与 阻 值 关 系 表 衰 减 db R2 Ω R1 Ω ⑶ 讨 论 同 轴 线 形 式 的 衰 减 器 用 T 型 结 构 的 多 一 些, 微 带 线 形 式 的 衰 减 器 用 π 型 结 构 多 一 些 采 用 何 种 结 构 取 决 于 用 途 器 件 以 及 实 现 的 难 易 频 率 较 高 时, 作 3dB 的 衰 减 器, 不 如 作 3 节 1dB 的 衰 减 器 级 连 起 来 步 进 式 有 手 动 的, 还 有 程 控 的, 低 档 的 只 能 用 在 1 吉 赫, 高 档 的 可 到 18 吉 赫 一 般 1 分 贝 一 跳, 也 有 1 分 贝 一 跳 的, 甚 至 还 有.1 分 贝 一 跳 的 程 控 的 一 般 只 有 1 分 贝 一 跳 的 截 止 式 在 截 止 波 导 内, 移 动 耦 合 环 可 得 到 线 性 的 分 贝 衰 减, 常 用 做 中 频 标 准 衰 减 器 缺 点 是 起 始 衰 减 太 大 15

20 吸 收 式 在 板 线 内 放 入 吸 收 材 料, 改 变 吸 收 材 料 放 入 的 深 度, 即 可 得 到 可 变 的 衰 减 正 弦 式 在 圆 波 导 内 放 入 吸 收 材 料 片, 旋 转 吸 收 材 料 片, 即 可 得 到 正 弦 性 衰 减 电 位 器 式 可 用 电 位 器 做 成 连 续 可 变 的 衰 减 器 2.6 定 向 耦 合 器 这 里 只 讲 常 用 的 双 线 耦 合 式 双 线 耦 合 式 一 根 线 为 一 两 端 口 网 络, 两 根 线 平 行 放 在 屏 蔽 盒 内, 即 成 四 端 口 网 络 一 根 为 主 线, 即 端 口 1 到 端 口 2. 另 一 根 为 付 线, 即 端 口 3 到 端 口 4 两 线 之 间 有 电 耦 合, 也 有 磁 耦 合 由 电 耦 合 产 生 在 付 线 上 的 信 号 端 口 3 与 端 口 4 是 同 向 的 ; 而 磁 耦 合 产 生 在 付 线 上 的 信 号 端 口 3 与 端 口 4 是 反 向 的 当 主 线 上 信 号 单 向 传 输 ( 一 端 输 入 信 号, 一 端 接 上 匹 配 负 载 ) 时, 改 变 付 线 线 径 与 两 线 之 间 的 距 离 可 使 得 两 种 耦 合 信 号 在 一 个 端 口 上 相 加, 另 一 个 端 口 上 相 消, 从 而 形 成 定 向 耦 合 器 由 于 磁 耦 合 是 反 向 的, 双 线 耦 合 式 定 向 耦 合 器 的 输 出 也 是 反 向 的, 即 付 线 上 的 信 号 流 动 方 向 与 主 线 上 信 号 流 动 方 向 相 反 三 分 贝 定 向 耦 合 器 用 于 多 功 器, 弱 耦 合 定 向 耦 合 器 用 于 分 配 系 统 与 检 测 系 统 定 向 性 一 般 要 在 2 分 贝 以 上 耦 合 器 电 缆 剪 不 同 长 度 的 耦 合 器 电 缆, 即 可 做 成 不 同 频 段 的 三 分 贝 定 向 耦 合 器, 这 在 功 率 合 成 时 是 非 常 有 用 的 2.7 和 差 器 一 个 平 衡 器 与 一 个 2 比 1 功 分 器 组 和 起 来 即 成 一 个 和 差 器 和 差 器 用 于 天 线 系 统, 即 可 得 到 和 差 波 束 和 差 器 常 用 于 混 频 也 用 于 检 测 系 统, 如 反 射 电 桥 就 是 由 两 个 电 阻 与 一 个 双 线 平 衡 器 做 成 的 和 差 器 和 与 差 之 间 是 隔 离 的, 隔 离 度 一 般 要 求 在 3 分 贝 以 上 2.8 环 流 器 与 隔 离 器 环 流 器 在 互 为 12 度 的 带 状 线 三 通 中 间, 加 上 铁 氧 体 与 磁 铁, 可 作 成 环 流 器 他 是 一 种 不 可 逆 的 三 端 口 器 件 沿 着 端 口 1 到 端 口 2, 端 口 2 到 端 口 3, 端 口 3 再 到 端 口 1 方 向 是 通 的, 反 过 来 则 是 隔 离 的 隔 离 器 在 环 流 器 端 口 3 接 上 匹 配 负 载, 即 可 做 成 隔 离 器 此 时 端 口 1 可 到 端 口 2, 端 口 2 的 反 射 信 号 到 端 口 3 被 负 载 吸 收 掉 了 ; 只 有 负 载 的 反 射 信 号 可 到 端 口 1, 端 口 3 不 对 外, 从 而 形 成 只 有 两 个 端 口 的 隔 离 器 一 般 插 损 在.3 分 贝 以 下 隔 离 度 在 2 分 贝 以 上 可 惜 带 宽 不 宽, 一 般 只 有 1% 2.9 移 相 器 16

21 机 械 式 一 段 U 形 环 同 轴 线, 内 外 导 体 皆 用 簧 片 接 触, 以 做 成 能 伸 缩 改 变 长 度 的 同 轴 线 内 外 导 体 的 簧 片 接 触 点 要 错 开 一 段 距 离, 以 保 证 伸 缩 时 特 性 阻 抗 不 变 要 做 到 这 点, 总 长 至 少 为 变 动 范 围 的 三 倍 数 字 式 一 般 用 PIN 管 双 刀 双 掷 开 关 控 制 直 通 与 串 入 移 相 段 来 制 成 一 节 移 相 器, 不 同 的 移 相 段 的 移 相 器 级 连 起 来 即 可 做 成 多 位 数 字 式 移 相 器 相 位 粒 度 在 1 位 时 为 18,2 位 时 为 9,3 位 时 为 45,4 位 时 为 22.5 依 此 类 推 数 字 式 移 相 器 已 大 量 应 用 在 相 控 阵 中 2.1 滤 波 器 LC 低 通 滤 波 器 有 设 计 软 件 的 话, 可 用 软 件 设 计 否 则 由 所 需 止 带 的 陡 度 查 表 得 到 节 数, 由 节 数 查 表 得 到 单 元 g 值 由 于 频 率 高 时 LC 值 意 义 不 大, 直 接 用 电 抗 值 更 好 些, 电 抗 值 也 便 于 矢 网 直 接 按 截 止 频 率 测 出 对 于 两 端 皆 为 Z 时, X = Z / g ; L = Z g k ( 第 7 章 有 具 体 例 子 ) C k X LC 高 通 滤 波 器 有 设 计 软 件 的 话, 可 用 软 件 设 计 否 则 由 所 需 止 带 的 陡 度 查 表 得 到 节 数, 由 节 数 查 表 得 到 单 元 g 值 由 于 频 率 高 时 LC 值 意 义 不 大, 直 接 用 电 抗 值 更 好 些, 电 抗 值 也 便 于 矢 网 直 接 按 截 止 频 率 测 出 对 于 两 端 皆 为 Z 时, X = Z / g ; C = Z g k ( 第 7 章 有 具 体 例 子 ) L k X 同 轴 线 腔 体 带 通 滤 波 器 有 设 计 软 件 的 话, 可 用 软 件 设 计 否 则 只 能 按 实 物 进 行 测 绘 后 仿 制 这 种 带 通 滤 波 器, 性 能 优 越, 陡 度 极 高 一 般 带 内 插 损.5 分 贝, 止 带 插 损 9 分 贝 2.11 分 路 器 与 合 路 器 同 频 分 路 器 与 合 路 器 分 路 器 与 合 路 器 是 一 回 事, 只 不 过 信 号 流 动 方 向 相 反 而 已 做 法 有 两 类, 一 类 是 先 用 功 分 器 分, 再 用 功 分 器 合 另 一 类 是 用 耦 合 器 电 缆 做 成 的 定 向 耦 合 器 分, 再 用 耦 合 器 电 缆 做 成 的 定 向 耦 合 器 合 异 频 分 路 器 与 合 路 器 ( 多 功 器 ) 分 路 器 与 合 路 器 是 一 回 事, 只 不 过 信 号 流 动 方 向 相 反 而 已 做 法 有 两 类, 通 常 是 用 滤 波 器 做 成 的 ; 而 在 微 波 多 路 分 配 系 统 MMDS 中, 是 靠 极 化 隔 离 加 滤 波 器 隔 离 来 做 成 的 ; 而 且 极 化 隔 离 起 主 要 作 用 主 路 为 波 导, 在 波 导 离 边 λ/4 处 为 圆 极 化 区 滤 波 器 腔 在 圆 极 化 区 进 行 耦 合 即 得, 可 以 买 到 24 路 的 商 品 频 段 为 2.5~2.7 吉 赫 2.12 多 功 器 同 频 收 发 双 工 用 于 雷 达 天 馈 系 统, 常 称 收 发 开 关 或 T/R 开 关 复 杂 的 用 环 流 器 来 隔 离 发 射 机 与 接 收 机, 发 射 机 只 到 天 线, 天 线 只 到 接 收 机 但 由 于 隔 离 度 不 够, 为 了 保 护 接 收 机, 还 得 另 加 PIN 开 关 与 限 幅 器 简 单 的 可 用 气 体 放 电 管 将 发 射 机 接 到 天 线, 再 并 联 λ/4 线 加 气 体 放 电 管 接 到 接 收 机 发 射 时, 气 体 放 电 管 打 火 形 成 短 路, 使 得 发 射 漏 到 接 收 机 的 功 率 不 大 ; 而 形 成 的 λ/4 短 路 线, 又 对 发 射 机 影 响 不 大 当 然 为 了 进 一 步 保 护 接 收 机, 可 能 还 得 另 加 PIN 开 关 与 限 幅 器 17

22 异 频 收 发 双 工 对 讲 机 为 了 简 单, 常 用 单 工 ; 即 讲 话 时 不 能 听, 听 话 时 不 能 讲 手 机 为 双 工, 随 意 听, 随 意 讲 其 做 法 就 是 收 发 异 频, 采 用 高 低 通 或 带 通 滤 波 器 来 共 用 一 个 天 线, 从 而 解 决 了 收 发 互 相 隔 离 问 题 多 频 共 天 线 塔 由 于 天 线 塔 昂 贵, 占 地 较 大, 多 频 共 天 线 塔 是 常 用 的 方 法 中 波 有 两 路 共 塔, 调 频 常 用 5 路 共 塔,MMDS 则 有 24 路 共 塔 的 2.13 直 流 供 电 器 在 用 同 轴 电 缆 传 输 信 号 的 系 统 中, 用 内 导 体 送 电 源 可 以 省 掉 电 源 线 这 时 就 需 要 直 流 供 电 器 了 2.14 避 雷 器 压 敏 电 阻 式 气 体 放 电 管 式 直 流 短 路 式 即 将 1/4 波 长 宽 带 短 路 金 属 支 撑, 用 来 做 避 雷 器 短 路 线 对 低 频 是 短 路 的, 对 高 频 却 匹 配 良 好, 如 8~24MHz 带 宽 内, 能 做 到 驻 波 比 小 于 1.1. 详 见 [1] 2.15 放 大 器 低 噪 声 放 大 器 LNA 除 增 益 要 高 外, 更 强 调 的 是 噪 声 系 数 要 低, 比 如 小 于.5dB 用 作 前 端 放 大 器 ( 前 放 ) 功 率 放 大 器 PA 除 增 益 要 高 外, 强 调 的 是 功 率 大 线 性 好 有 两 个 名 词 : P 1dB 功 率 放 大 器 输 出 功 率 偏 离 线 性 下 降 1dB 时 的 输 出 功 率 IP 3 三 阶 截 获 点 他 是 用 来 估 算 放 大 器 件 三 阶 互 调 的 分 量 的, 三 阶 互 调 分 量 与 基 波 的 分 贝 差 值 为 基 波 与 三 阶 互 调 截 获 点 之 间 分 贝 差 值 的 两 倍 如 IP 3 为 3dBm, 输 入 信 号 为 dbm, 则 三 阶 互 调 分 量 当 为 -6dBm 18

23 第 3 章 平 衡 器 3.1 平 衡 概 说 传 输 线 是 用 来 传 输 的 假 如 传 输 线 也 辐 射, 这 就 破 坏 了 平 衡 ; 这 才 是 不 平 衡 的 定 义 不 能 从 形 状 上 来 看, 把 同 轴 线 说 成 是 不 平 衡 的 ; 甚 至 称 同 轴 线 为 不 平 衡 线, 这 都 是 不 恰 当 的 平 衡 器 是 对 称 线 天 线 的 输 入 输 出 端 口, 不 作 对 称 线 天 线 的, 可 以 不 看 这 章 同 轴 线 的 平 衡 状 态 让 我 们 在 一 根 很 长 的 同 轴 线 中 截 一 小 段 来 看, 同 轴 线 内 导 体 上 的 电 流 Ia, 由 于 高 频 电 流 的 趋 肤 效 应 沿 同 轴 线 内 导 体 外 表 面 上 流, 同 轴 线 外 导 体 上 的 电 流 Ib 由 于 内 场 的 约 束 作 用, 应 只 在 外 导 体 的 内 表 面 上 流 ; 同 轴 线 外 导 体 的 外 表 面 上 是 应 该 没 有 电 流 Is 的, 这 也 就 是 人 们 为 何 要 用 同 轴 线 ( 缆 ) 的 理 由 因 为 它 的 屏 蔽 性 能 好, 能 量 只 在 内 外 导 体 之 间 流 通 而 不 流 到 外 表 面 来 可 用 法 拉 第 积 分 定 律 证 明 如 下 : 若 假 定 外 导 体 为 理 想 导 体, 则 在 外 导 体 的 内 外 表 面 之 间 任 一 点 的 电 场 为 零, 因 此 绕 轴 等 半 径 积 1 圈, E dl= 而 根 据 法 拉 第 积 分 定 律 E dl=σi, 所 以 ΣI = 这 就 从 理 论 上 证 明 了, 同 轴 线 电 流 只 在 外 导 体 内 表 面 与 内 导 体 外 表 面 流 动, 而 且 还 证 明 了 内 导 体 的 电 流 与 外 导 体 内 表 面 的 电 流, 幅 度 相 等 而 流 向 相 反 采 用 同 轴 线 传 送 射 频 能 量 的 一 个 主 要 特 征 就 是 外 导 体 外 表 面 无 电 流, 即 : IS = (3-1) 反 过 来 说, 假 如 外 导 体 外 表 面 由 于 外 场 ( 一 般 是 不 想 要 的 干 扰 ) 的 作 用 而 产 生 了 感 生 电 流 IS, 而 这 个 电 流 由 于 高 频 电 流 的 趋 肤 效 应 是 应 该 流 不 进 内 导 体 上 去 的, 这 就 是 同 轴 线 的 屏 蔽 作 用, 这 也 是 在 射 频 传 输 线 中 同 轴 线 是 首 选 的 原 因 同 轴 线 只 有 心 线 有 电, 外 导 体 可 以 接 地, 即 一 线 一 地 制, 又 称 单 端 馈 电, 这 对 安 装 走 线 是 有 利 的 双 线 的 平 衡 状 态 双 线 又 称 明 线 平 衡 线 ( 不 恰 当 ), 如 图 所 示 它 是 在 较 低 频 段 ( 或 频 段 虽 高 但 长 度 较 短 时 ) 常 用 的 传 输 线, 双 线 虽 只 有 两 根 线, 但 却 脱 不 开 地 的 影 响, 人 们 希 望 电 流 只 在 线 上 流, 不 要 流 到 地 上 去, 这 就 不 能 随 意 放 置, 必 须 对 地 对 称 放 置 而 且 a b 两 导 体 的 直 径 φa φb 相 同, 双 线 间 距 D<<λ 对 于 两 线 上 相 对 应 的 点, 有 三 项 表 征 : 阻 抗 对 地 对 称, 电 压 对 地 幅 度 相 等 极 性 相 反, 电 流 幅 度 相 等 流 向 相 反 这 三 项 表 征 或 条 件 可 写 成 式 子 如 下 : Zag = Zbg (3-2) Va = -V b( 负 号 表 示 极 性 相 反 ) (3-3) 19

24 Ia = -I b( 负 号 表 示 流 向 相 反 ) (3-4) Zag=Zbg 这 个 条 件 好 象 是 一 项 电 的 条 件, 实 质 上 是 一 个 双 线 结 构 对 称 要 求 的 表 示 法, 它 是 一 种 共 模 性 质 的 东 西, 只 能 意 会, 说 不 太 清 楚 对 称 振 子 的 平 衡 状 态 半 波 振 子 是 由 双 线 掰 开 而 成, 在 a b 两 端 点 来 看, 其 平 衡 表 征 与 双 线 完 全 一 样 3.2 天 馈 系 统 平 衡 的 四 项 表 征 上 面 四 个 式 子 即 天 馈 系 统 平 衡 的 表 征, 四 项 表 征, 互 相 依 存, 缺 一 不 可, 存 一 俱 存 既 然 缺 一 不 可, 只 要 能 证 明 一 项 成 立 就 行 了 当 然 四 项 平 衡 表 征, 不 能 绝 对 化, 一 般 来 说, 这 些 条 件 只 是 相 对 成 立 的 当 同 轴 线 与 对 称 振 子 或 双 线 传 输 系 统 相 连 时, 必 须 采 取 穿 入 措 施 或 接 入 平 衡 器, 以 保 持 系 统 的 平 衡 3.3 穿 入 式 馈 电 在 有 接 地 点 的 对 称 线 天 线 中, 可 由 接 地 点 进 行 穿 入 式 或 贴 附 式 馈 电 ⑴ 全 波 振 子 全 波 振 子 有 一 特 点, 那 就 是 振 子 臂 上 有 一 点 电 压 最 低, 即 使 用 金 属 杆 支 撑 也 无 妨, 因 此 可 将 此 杆 做 成 同 轴 线 或 将 电 缆 穿 入, 形 成 了 隐 含 的 对 称 式 平 衡 器 ⑵ 等 在 多 互 相 一 部 分 为 了 成 片 状 体 内 以 的 电 感 比 结 构 振 子 阵 一 个 加 长 了 双 线 平 衡 器 上 排 上 许 倒 相 的 振 子, 平 衡 器 已 成 为 天 线 的 减 小 跳 线 引 入 的 电 感, 可 将 引 线 做 或 块 状, 甚 至 将 心 线 穿 到 对 边 外 导 形 成 一 段 开 路 线 来 抵 消 跳 线 引 入 ⑶ 八 这 进 行 馈 考 虑 到 形 成 了 适 的 ( 定 木 天 线 是 一 种 很 漂 亮 的 方 法 对 八 木 天 线 电, 由 于 折 合 振 子 一 半 长 约 λ/2, 聚 乙 稀 的 缩 短 系 数 后, 串 入 的 电 缆 一 个 3λ/4 的 变 阻 器, 只 要 选 择 合 制 的 ) 电 缆 芯 线 ( 不 要 外 皮 ), 以 2

25 满 足 需 要 的 特 性 阻 抗, 即 可 作 到 匹 配 ⑷ 环 天 线 环 天 线 适 于 用 穿 入 式, 可 以 作 一 个 波 长 型 的 大 环, 也 可 作 <<λ 的 小 耦 合 环, 有 时 环 中 还 可 加 入 高 μ 介 质 3.4 扼 流 式 平 衡 器 这 种 平 衡 器 的 机 理 在 于 引 入 扼 流 结 构 来 抑 制 表 面 电 流, 使 得 IS 尽 量 小 基 本 形 式 为 两 大 类, 一 种 是 在 同 轴 线 上 采 取 措 施, 一 种 是 在 双 线 上 采 取 措 施, 当 然 也 不 排 斥 两 者 兼 用, 常 见 的 结 构 如 下 : λ/4 扼 流 套 式 平 衡 器 1 基 本 结 构 在 同 轴 线 外 皮 套 上 一 段 λ/4 的 扼 流 套, 即 可 形 成 一 个 实 用 的 平 衡 器 2 基 本 性 能 扼 流 套 尺 寸 为 λ/4, 故 只 适 用 于 较 高 频 率 平 衡 器 本 身 不 影 响 阻 抗 变 比, 属 1:1 型 平 衡 器 平 衡 带 宽 约 ±1%, 是 一 种 窄 带 平 衡 器, 加 粗 扼 流 套 对 带 宽 改 善 不 大, 作 照 射 器 时 却 增 加 了 阻 档 常 用 作 微 波 天 线 照 射 器, 老 式 火 控 雷 达 就 是 用 的 这 种 平 衡 器, 不 过 它 是 故 意 将 套 后 移 以 产 生 部 分 IS, 造 成 偏 焦, 而 在 旋 转 时 形 成 漏 斗 型 波 束, 常 称 圆 锥 扫 描 电 缆 绕 圈 扼 流 式 平 衡 器 ⑴ 基 本 结 构 用 细 的 同 轴 电 缆 绕 成 线 圈 或 绕 在 磁 芯 上 或 磁 环 上, 如 图 所 示 : ⑵ 基 本 性 能 适 合 宽 带 应 用, 尤 其 是 加 了 磁 芯 用 四 组 组 成 复 合 对 称 式 平 衡 器, 常 用 于 反 射 电 桥, 带 宽 可 达 5~3MHz 阻 抗 为 1:1 型 双 线 并 绕 式 平 衡 器 1 单 组 双 线 并 绕 式 ⑴ 基 本 结 构 双 线 并 绕 在 骨 架 上 磁 环 上 或 多 孔 磁 芯 上, 如 图 所 示 21

26 双 线 对 差 模 为 传 输 线, 由 于 双 线 距 离 很 近, 绕 圈 对 差 模 并 无 多 大 影 响, 但 对 共 模 就 成 了 扼 流 圈 ⑵ 基 本 性 能 频 带 较 宽, 但 共 模 抑 制 比 不 高, 有 的 仪 器 用 作 取 样 脉 冲 单 端 变 推 挽 用 但 对 称 度 不 是 太 好 双 线 特 性 阻 抗 Z 通 常 在 1Ω 到 2Ω 之 间, 与 同 轴 线 不 太 好 匹 配 常 用 作 较 高 阻 抗 电 路 中, 如 开 关 电 源 的 滤 波 器 磁 芯 在 电 视 频 段 引 入 约 2dB 损 耗, 不 适 于 要 求 较 高 的 场 合, 是 一 种 廉 价 的 器 件 2. 双 线 并 绕 串 并 联 式 ⑴ 双 线 并 绕 串 并 联 式 的 基 本 结 构 及 等 效 电 路 如 图 所 示 : 这 种 平 衡 器 始 于 1957 年, 原 来 尺 寸 较 大, 现 在 改 为 绕 在 双 孔 磁 芯 上, 尺 寸 较 紧 凑 请 用 不 同 颜 色 的 线 绕 制 以 免 接 错 ; 此 平 衡 器 不 用 也 不 宜 接 地 线,c 点 虽 为 差 模 零 点, 对 共 模 却 不 是, 故 c g 不 应 相 连 也 不 宜 置 于 金 属 盒 内, 以 免 降 低 共 模 抑 制 阻 抗 ⑵ 基 本 性 能 由 于 始 端 并 联, 末 端 串 联, 故 适 于 作 阻 抗 4:1 的 变 换, 通 常 为 75Ω:3Ω, 取 决 于 双 线 特 性 阻 抗 Zb, 若 Zb=1Ω, 则 成 5Ω:2Ω 在 电 视 频 段 损 耗 约 2dB, 是 一 种 用 得 最 多 的 ( 一 部 电 视 机 附 一 个 ) 廉 价 的 平 衡 器 常 用 的 电 视 机 用 的 为 双 孔 磁 芯, 线 径 Φ.35 双 线 并 绕 4 圈 带 宽 很 宽, 阻 抗 特 性 很 好, 但 共 模 抑 制 并 不 很 好 3.5 对 称 式 平 衡 器 构 成 这 种 平 衡 器 的 出 发 点 是 引 入 一 种 结 构 或 采 取 某 种 措 施, 使 得 平 衡 器 结 构 对 地 对 称, 以 满 足 天 线 两 输 入 端 点 a b 对 地 阻 抗 对 称, 即 Zag = Zbg 双 线 平 衡 器 1 基 本 结 构 由 于 引 入 了 一 段 与 同 轴 线 相 同 粗 细 的 导 体 在 旁 边, 形 成 了 一 段 双 线 短 截 线 (stub), 它 在 离 输 出 口 λ/4 处 与 同 轴 线 外 皮 短 路, 因 此 a 与 b 对 g 而 22

27 言 是 对 称 的 或 者 说 是 条 件 是 相 同 的 这 种 平 衡 器 有 人 称 为 Pawsey Stub, 但 它 不 是 如 有 的 书 中 说 的 是 扼 流 套 平 衡 器 的 一 种 简 化, 而 是 原 理 完 全 不 同 的 另 一 类 平 衡 器 ; 因 为 它 不 像 扼 流 套 式 平 衡 器 必 须 在 λ/4 左 右 才 能 得 到 平 衡, 而 此 处 其 长 度 并 不 影 响 平 衡, 只 影 响 匹 配, 长 度 由 调 匹 配 确 定 2 基 本 性 能 这 是 一 种 非 常 简 单 非 常 实 用 的 宽 带 平 衡 器, 其 平 衡 带 宽 理 论 上 是 无 限 的 输 入 输 出 阻 抗 无 变 比 关 系, 或 称 1:1 变 阻 关 系, 适 于 半 波 振 子 等 低 阻 抗 线 天 线, 以 及 输 入 阻 抗 等 于 同 轴 线 特 性 阻 抗 的 天 线 适 于 作 双 极 化 用 引 线 电 感 较 大, 体 积 较 大, 漏 射 也 较 大 故 一 般 用 于 较 低 频 段 单 独 使 用 时 要 解 决 密 封 问 题 由 同 轴 线 内 导 体 到 a 点, 有 一 段 跳 线, 通 过 推 导 发 现 跳 线 并 不 影 响 共 抑 比, 也 就 是 说 跳 线 只 影 响 匹 配, 不 影 响 平 衡 3. 改 进 与 演 变 最 简 单 的 双 线 对 称 式 平 衡 器 如 图 (c) 所 示, 由 于 串 入 了 跳 线 电 感 与 并 联 了 λ/4 线 的 导 纳, 因 此 限 制 了 双 线 平 衡 器 的 阻 抗 带 宽 若 跳 线 不 直 接 接 a 而 是 经 λ/4 开 路 线 与 a 耦 合 ( 除 图 (c) 外 的 其 它 结 构 ), 可 消 除 跳 线 影 响, 若 满 足 某 种 关 系 可 得 到 4:1 的 带 宽 ( 参 见 [7]), 可 惜 通 常 的 尺 寸 并 不 满 足 这 种 要 求, 当 然 常 规 天 线 也 没 有 这 种 要 求 双 线 对 称 式 平 衡 器 的 演 变 如 图 所 示 : 图 (a) 为 麦 潜 德 平 衡 器, 这 种 平 衡 器 性 能 很 好, 可 惜 结 构 稍 复 杂, 简 单 天 线 为 了 降 低 成 本 不 会 用 它, 而 且 其 结 构 也 不 太 适 合 线 天 线 在 简 单 抛 物 面 天 线 中 有 用 作 振 子 照 射 器 ( 馈 源 ) 的, 而 其 演 变 却 在 中 馈 谐 振 式 天 线 中 得 到 较 多 应 用 ( 见 第 4 章 实 例 ) 图 (e) 是 微 带 平 衡 器, 虽 然 原 是 用 来 馈 阿 基 米 德 螺 旋 的, 现 却 在 印 刷 振 子 阵 中 得 到 大 量 应 用, 所 占 空 间 极 小, 也 适 宜 作 双 极 化 天 线 的 馈 电 ( 两 个 平 衡 器 互 成 9 插 在 一 起, 跳 线 一 根 走 上 面, 一 根 走 下 面 ) 单 线 对 称 式 平 衡 器 在 单 根 同 轴 馈 电 线 的 头 上 馈 电 点 处, 铣 开 一 条 缝, 即 形 成 了 一 种 单 线 对 称 式 平 衡 器 最 早 出 现 的 是 缝 隙 式, 后 来 又 有 其 他 演 变, 统 称 单 线 对 称 式 平 衡 器 1. 缝 隙 式 平 衡 器 ⑴ 基 本 结 构 如 图 所 示, 在 同 轴 线 头 上 铣 开 一 条 约 λ/4 的 缝, 将 内 导 体 接 向 两 半 的 任 一 半 即 得. 这 样 作 a,b 两 点 显 然 对 地 ( 对 同 轴 线 外 皮 ) 是 对 称 的 23

28 ⑵ 基 本 性 能 由 于 严 格 对 称, 跳 线 也 短, 尺 寸 较 小, 适 于 较 高 频 段, 如 S 波 段 的 简 单 抛 物 面 馈 源 ( 照 射 器 ), 波 瓣 不 会 偏 斜 缝 长 与 平 衡 无 关, 纯 由 调 匹 配 决 定, 通 常 长 约 λ/4, 作 馈 源 时 为 了 便 于 固 定 反 射 板, 又 对 称 的 加 了 一 段 λ/4 缝, 总 缝 长 λ/2, 振 子 由 中 间 引 出 输 入 输 出 的 阻 抗 变 比 为 4:1, 假 如 同 轴 线 的 特 性 阻 抗 为 Z, 则 负 载 应 为 4Z 才 能 得 到 匹 配 ⑶ 等 效 电 路 明 明 同 轴 线 尺 寸 未 变, 却 要 接 上 4Z 的 负 载 才 能 匹 配, 实 在 令 人 不 解 有 的 书 上 画 了 一 个 除 4 的 符 号, 有 的 书 上 却 将 开 缝 段 的 特 性 阻 抗 错 误 的 写 成 2Z 正 确 推 导 详 见 [1] ZL = V I jzlzd tan βl = (3-5) 4 Z + jz tan βl L d 右 端 即 两 阻 抗 并 联 的 结 果, 根 据 此 式 即 可 画 出 等 效 电 路 请 记 住 : 当 你 把 单 线 对 称 式 平 衡 器 当 作 一 段 同 轴 传 输 线 来 计 算 时, 它 的 负 载 已 不 是 ZL 而 是 ZL/4 举 个 实 例 来 讲, 当 你 用 75Ω 同 轴 线 开 缝 后 接 天 线 时, 要 接 3Ω 的 折 合 振 子 才 能 匹 配, 若 用 5Ω 同 轴 线 时 应 接 2Ω 负 载 ( 如 宽 带 全 波 振 子 之 类 ) 由 于 负 载 是 不 同 的, 有 时 不 得 不 靠 改 变 Z 来 改 变 阻 抗 比, 因 此 这 一 段 同 轴 线 一 般 在 λ/4 附 近 ; 而 作 为 外 导 体 外 表 面 的 一 段 缝, 长 度 却 不 一 定, 要 靠 调 匹 配 来 决 定, 但 通 常 也 在 λ/4 附 近 等 效 电 路 中 要 除 4, 由 于 不 理 解 为 什 么 要 除 4 而 进 行 了 推 导, 推 导 结 果, 果 然 要 除 4 只 好 承 认, 谈 不 上 理 解 有 的 书 上 把 开 缝 段 的 特 性 阻 抗 当 成 2Z 来 处 理, 这 是 没 有 根 据 的 因 为 同 轴 线 开 缝 后 特 性 阻 抗 变 化 不 大, 即 使 展 平 成 板 线 也 不 过 只 增 加 了 15Ω, 没 有 两 倍 可 言 另 外 用 2Z 也 只 能 凑 出 中 频 的 数 值, 对 其 他 频 率 就 更 谈 不 上 了, 而 除 4 的 等 效 电 路 经 过 实 验 证 明 是 正 确 的 等 效 电 路 中 λ/4 短 路 线 并 联 在 阻 抗 变 换 器 低 端, 这 是 一 种 宽 带 补 偿 结 构, 为 何 缝 隙 平 衡 器 匹 配 带 宽 只 有 1%, 乃 是 因 为 缝 隙 太 窄,Zd 太 低 而 补 偿 过 头 所 致 只 要 增 加 缝 宽, 带 宽 就 会 增 加, 而 且 承 受 功 率 水 平 也 随 缝 宽 增 加 而 增 加 2 板 线 平 衡 器 在 推 导 缝 隙 式 公 式 中, 发 现 增 加 双 线 模 ( 差 模 ) 的 特 性 阻 抗 Zd, 可 以 增 加 带 宽, 而 加 大 缝 宽 不 如 干 脆 用 方 板 线 当 时 我 厂 正 在 进 行 一 项 带 宽 达 1.68:1 的 八 木 天 线 试 制, 用 双 线 平 衡 器 久 攻 不 下, 一 用 板 线 平 衡 器 就 成 功 了 后 来 板 线 大 量 用 于 米 波 雷 达 天 线, 和 电 视 发 射 天 线 上 了 ⑴ 基 本 结 构 结 构 很 简 单, 就 是 两 块 板 一 根 杆, 图 纸 比 双 线 少 多 了 在 频 率 较 低 时, 两 块 板 太 软, 需 要 填 充 或 将 板 边 上 翻 边 ; 内 外 翻 皆 可. 匹 配 时 只 需 要 换 换 内 导 24

29 体 粗 细, 再 在 板 线 上 加 一 个 滑 动 短 路 片, 调 节 好 后 焊 住 即 可 板 线 平 衡 器 都 是 用 的 宽 窄 相 同 的 方 板 线 ( 下 同 ) 大 量 生 产 时 内 导 体 宜 用 铜 管, 而 少 量 试 制 时 内 导 体 可 用 一 个 片, 尤 其 在 L 或 S 波 段, 调 节 很 方 便, 用 剪 刀 剪 剪 即 可 若 阻 抗 低 时, 则 可 用 长 带 弯 成, 既 便 于 调 整 又 便 于 焊 接 ⑵ 基 本 性 能 平 衡 性 能 很 好, 平 衡 带 宽 也 不 受 长 度 影 响 由 于 天 生 4:1 阻 抗 变 换 特 性, 适 于 全 波 振 子 或 折 合 振 子, 而 仔 细 计 算 与 实 践 表 明, 平 衡 器 在 同 时 作 2:1 变 换 时 带 宽 最 宽, 即 最 佳 负 载 对 于 75Ω 馈 线 时 为 15Ω, 对 于 5Ω 馈 线 为 1Ω, 当 然 此 时 Z 段 的 数 值 要 作 相 应 改 变 譬 如 15Ω, 先 除 4 得 37.5Ω, 再 经 53Ω 的 λ/4 变 换 得 到 75Ω ⑶ 等 效 电 路 等 效 电 路 同 缝 隙 平 衡 器 只 是 在 计 算 中 可 能 会 碰 到 Z 与 Zd 的 数 值 问 题 经 过 测 试 与 回 归, 作 者 得 到 结 果 如 下 : w 为 方 板 线 宽 度,d 为 内 导 体 直 径 Z = ln(w/d) ( 当 w/d > 1.5) (3-6) Zd = 173 cos( 9 d / w) ( 当 d/w <.6 ) (3-7) Z 可 查 微 波 工 程 手 册 [7], 而 Zd, 是 作 者 用 水 桶 法 测 出 的 ⑷ 几 个 问 题 1 漏 射 问 题 在 板 线 平 衡 器 推 广 的 过 程 中, 有 人 怀 疑 板 线 本 身 的 场 包 不 住, 会 不 会 漏 出 去, 因 为 正 宗 的 板 线 板 宽 与 板 距 比 在 5:1 以 上, 而 现 在 却 为 1:1 其 实 按 5:1 作 的 测 量 线 内 导 体 偏 心 了 也 照 样 辐 射, 而 在 平 衡 馈 电 器 中, 两 外 导 体 间 馈 有 很 强 的 差 模 电 流, 远 非 漏 射 可 比 问 题 在 于 间 距 ( 可 参 见 [1] 中 双 线 的 漏 射 一 段 进 行 估 算 ), 由 于 间 距 比 双 线 平 衡 器 小, 其 漏 射 应 比 双 线 平 衡 器 小 2 密 封 问 题 实 际 应 用 中 板 线 平 衡 器 碰 到 的 最 大 难 题 是 防 潮 问 题, 参 见 [1] 中 6.3 之 3 之 (3), 在 这 里 就 不 重 复 了 3 具 体 尺 寸 的 确 定 由 匹 配 要 求 只 能 确 定 平 衡 器 的 w/d 之 值, 而 具 体 的 尺 寸 是 由 功 率 决 定 的 一 般 尺 寸 与 插 头 或 馈 电 的 同 轴 线 尺 寸 差 不 多 就 行, 小 了 怕 功 率 承 受 不 了, 大 了 会 增 加 漏 射, 另 外 也 增 加 了 重 量 与 体 积 3 明 线 式 平 衡 器 将 两 外 导 体 进 一 步 改 细, 变 成 三 根 杆 子 ( 也 可 称 三 杆 式 平 衡 器, 但 不 宜 叫 三 线, 因 为 另 外 还 有 三 线 平 衡 器 ) 由 于 Z,Z d 进 一 步 提 高, 适 于 全 波 振 子 这 种 平 衡 器 广 泛 用 于 通 讯 板 状 天 线 与 MMDS 天 线 中 等 效 电 路 也 与 前 面 缝 板 两 者 相 同, 只 不 过 ZC,Zd 高 一 些 而 已, 尺 寸 纯 由 实 验 决 定, 适 合 对 成 本 很 在 乎 的 场 合, 输 入 阻 抗 有 作 成 5Ω, 也 有 作 成 4Ω 的, 这 样 4 个 一 并 得 1Ω 4 三 种 单 线 对 称 式 平 衡 器 的 共 抑 比 单 线 对 称 式 平 衡 器 的 断 面 形 状 有 三 种, 同 轴 缝 隙 式 板 线 式 与 三 杆 式, 它 们 的 平 衡 有 效 性 会 一 样 吗? 为 此 进 行 了 共 抑 比 的 测 量, 实 测 情 况 如 下 图 : 25

30 可 见 缝 隙 式 的 共 抑 比 在 -3dB 以 上, 板 线 在 -2dB 左 右, 三 杆 者 在 -12dB 左 右 缝 隙 式 的 用 于 比 较 考 究 的 场 合, 板 线 用 于 大 功 率, 而 三 杆 式 只 能 用 于 不 太 在 乎 的 场 合 3.6 反 相 式 平 衡 器 反 相 式 平 衡 器 的 作 法 是 通 过 反 相 或 反 接 ( 倒 相 ), 使 得 两 输 出 头 a 与 b 间 满 足 : Va = - Vb λ/2 U 形 环 1 接 法 与 性 能 右 图 是 一 种 移 相 式 平 衡 器, 它 是 通 过 λ/2 的 电 缆 得 到 中 频 时 满 足 Va=-Vb 的, 因 而 是 种 窄 带 平 衡 器, 阻 抗 也 是 4:1 的 早 期 八 木 天 线 几 乎 全 是 用 的 这 种 平 衡 器, 因 为 它 很 简 单, 只 要 加 一 段 λ/2 电 缆 即 成 当 然 λ/2 要 用 能 测 相 位 或 电 长 度 的 仪 器 去 测 量 与 调 整, 下 料 时 要 注 意 电 缆 的 缩 短 系 数 2. 输 入 阻 抗 公 式 [1] Zin 4Z AZS cos βl + jz( Z A + 4ZS )sin βl = (3-8) 8(cos βl 1) Z 4(cos βl + 1) Z + jz sin βl S 式 中 ZA 为 天 线 差 模 阻 抗,ZS 为 天 线 共 模 阻 抗 也 有 可 能 在 纯 传 输 的 情 况 下 ( 即 不 接 天 线, 而 是 接 集 中 阻 抗 ), 可 将 ZS= 代 入 前 面 Zin 公 式, 即 可 得 到 纯 传 输 的 情 况 下 的 Zin: A Z Zin= L cos βl + jz sin βl 2(cos βl 1) (3-9) 此 式 在 中 频 时,Zin=ZL/4, 或 ZL:Zin=4:1, 这 是 众 所 周 知 的, 但 要 知 道 此 式 是 在 纯 传 输 的 情 况 下 得 到 的, 并 不 适 合 用 来 计 算 天 线 的 输 入 阻 抗, 计 算 天 线 的 输 入 阻 抗 要 用 (3-8) 式. 3 反 相 式 平 衡 器 的 其 他 形 式 用 微 带 线 时, 可 利 用 高 介 电 常 数 或 蛇 形 线 来 作 出 λ /2 U 形, 尺 寸 小 一 些, 便 于 安 装, 成 本 也 低, 但 不 适 于 大 功 率 的 场 合 微 带 线 由 双 面 复 铜 板 印 制 而 成 由 C 点 输 入, 在 f 上 可 通 过 改 变 参 数 以 得 到 Va=- Vb 反 接 ( 倒 相 ) 式 平 衡 器 在 一 封 闭 的 腔 内, 若 在 a b 两 点 间 存 在 着 能 用 电 缆 取 出 的 电 压, 可 用 一 根 正 接, 取 出 Vab, 另 一 根 反 接, 取 出 Vba, 则 Vab = -Vba 必 然 成 立, 这 是 一 种 宽 带 反 相 或 倒 相, 也 就 是 说 其 26

31 平 衡 带 宽 是 宽 的 而 由 于 采 用 了 腔 体, 其 匹 配 带 宽 则 不 容 乐 观, 示 意 图 见 上 由 于 两 根 电 缆 取 于 相 同 的 两 点, 即 两 根 电 缆 在 输 入 端 是 并 联 的, 而 输 出 是 串 联 的, 因 此 属 于 阻 抗 比 4:1 形 式 的 平 衡 器 在 较 低 频 段 为 了 减 少 尺 寸, 可 加 介 质 或 用 螺 线 腔, 见 上 示 意 图 为 了 看 清 接 线 关 系, 可 将 螺 线 拉 直 来 看 ( 下 图 ). 除 此 之 外, 若 将 扼 流 式 或 对 称 式 平 衡 器 放 在 屏 蔽 腔 内, 再 引 出 两 根 电 缆, 似 乎 也 形 成 了 某 种 反 相 式 的 平 衡 器, 其 实 它 只 是 该 种 平 衡 器 加 屏 蔽 腔 的 一 种 复 合 运 用, 并 不 属 反 相 式, 因 为 其 基 本 出 发 点 不 同 反 接 式 平 衡 器 除 了 对 称 式 结 构 外, 也 可 做 成 不 对 称 型 式 的 ( 左 图 ), 多 用 于 短 波 发 射 机 Oakley 在 三 个 引 出 端 加 了 串 补 线, 取 得 了 7.5:1 的 带 宽 的 好 成 绩 3.7 磁 耦 合 式 平 衡 器 一 个 环 路, 或 者 说 一 个 线 圈, 甚 至 半 圈 不 封 闭 的 一 段 线, 只 要 在 两 端 接 上 负 载 就 形 成 了 廻 路 ; 此 时 若 有 交 变 磁 场 存 在, 则 从 两 个 引 出 端 点 来 看, 不 是 这 端 流 进 那 端 流 出, 就 是 那 端 流 进 这 端 流 出 总 之, 两 端 的 电 流 必 然 是 反 向 的, 即 Ia = -Ib ; 也 就 是 说 对 环 路 而 言, 因 磁 场 感 生 的 电 流 为 差 模, 这 也 就 是 单 端 变 推 挽 的 变 压 器, 常 用 于 双 平 衡 混 频 器 中 虽 然 可 用 到 1GHz, 但 仍 属 一 种 低 频 或 音 频 的 平 27

32 衡 器, 随 着 频 率 增 高, 电 耦 合 会 越 来 越 严 重, 而 通 常 电 耦 合 对 环 路 的 影 响 表 现 为 共 模 形 式, 这 是 这 类 平 衡 器 中 的 大 忌, 故 要 用 电 屏 蔽 最 早 的 形 式 为 法 拉 弟 屏 蔽, 电 路 上 表 示 法 如 图 所 示 而 具 体 的 来 讲 就 是 在 初 次 级 之 间 加 一 个 不 封 闭 的 金 属 屏 蔽,( 不 能 封 闭, 否 则 将 形 成 短 路 电 流 造 成 损 失 ) 如 测 向 天 线 上 加 的 屏 蔽 套 就 属 这 种 类 型, 其 目 的 在 于 平 衡, 以 得 到 更 深 的 零 点 来 提 高 测 向 精 度 也 有 将 线 圈 ( 一 圈 或 多 圈 ) 封 在 电 屏 蔽 管 中 形 成 如 图 所 示 的 环 形 天 线, 屏 蔽 管 头 上 也 不 能 短 路 或 封 死, 否 则 磁 场 也 进 不 去 了 上 图 是 一 种 用 于 较 高 频 率 的 磁 耦 合, 它 要 用 到 腔 体, 这 种 作 法 显 然 是 不 太 方 便 的 其 输 出 的 阻 抗 也 说 不 太 清 楚, 它 取 决 于 环 面 积 中 的 磁 通 与 腔 体 中 的 总 磁 通 的 比 值, 假 如 结 构 设 计 能 让 环 在 腔 中 抽 动 的 话, 即 可 形 成 一 种 任 意 变 比 的 阻 抗 变 换 器 3.8 平 衡 器 的 共 模 抑 制 比 除 了 常 规 的 匹 配 指 标 以 外, 平 衡 器 最 主 要 的 的 指 标 就 是 共 模 抑 制 比 虽 然 天 馈 系 统 是 否 平 衡 有 四 项 表 征, 但 按 四 项 表 征 进 行 测 试 非 常 麻 烦 ; 而 且 不 易 测 准 客 观 存 在 的 双 线 系 统 是 离 不 开 地 的, 我 们 希 望 双 线 上 Ia = -I b 但 一 般 情 况 下, 这 个 等 式 是 不 成 立 的 为 了 分 析 方 便, 我 们 认 为 线 上 有 两 种 模 式 的 电 流 一 种 是 差 模 即 Ia = -Ib, 另 一 种 是 共 模 即 Ia = Ib 只 要 抑 制 掉 共 模 就 行 了, 因 此 共 模 抑 制 比 即 成 为 衡 量 平 衡 的 一 个 指 标 测 试 起 来 非 常 简 单, 只 要 测 试 由 共 模 头 接 上 平 衡 器 之 间 的 插 损 即 可 一 般 2dB 即 能 用, 3dB 良 好,4dB 优 秀 频 率 低 时 能 做 到 6dB 共 模 头 在 高 频 时 就 是 由 两 个 电 阻 组 成 的 三 通, 低 频 时 是 由 双 线 并 绕 中 心 抽 头 做 成 的 三 通 强 调 的 是 要 尽 量 做 得 对 称 28

33 第 4 章 天 线 4.1 天 线 的 基 本 特 性 泛 指 凡 能 将 电 信 号 有 效 的 发 射 到 空 间 成 为 电 磁 波 辐 射 出 去, 反 过 来 又 能 将 空 间 的 电 磁 波 变 成 电 信 号 有 效 的 接 收 进 来 的 装 置 单 个 天 线 收 发 射 频 性 能 是 一 样 的, 是 为 互 易 性 天 线 分 为 线 天 线 与 面 天 线 两 大 类 这 里 只 谈 线 天 线 方 向 图 天 线 向 各 个 方 向 的 辐 射 通 常 都 是 不 同 的, 在 自 由 空 间 形 成 了 一 个 立 体 波 束, 譬 如 半 波 振 子 的 立 体 波 束 就 像 一 个 苹 果 形, 沿 振 子 方 向 的 辐 射 凹 进 去, 甚 至 小 到 零 可 是 用 立 体 波 束 来 表 示 是 不 方 便 的, 因 此 用 两 个 剖 面 来 表 示 是 适 宜 的 让 我 们 采 用 常 用 的 球 坐 标 而 让 半 波 振 子 与 Z 轴 重 合, 中 心 落 在 原 点 上, 这 时 两 个 剖 面 就 很 好 画 了 ; 在 方 位 面 上 ( 即 XOY 面 上 或 θ=9 面 上 ) 立 体 波 束 的 剖 面 为 一 个 圆 ( 图 a)( 即 全 向 天 线 ) 而 沿 Z 轴 剖 开 垂 直 方 向 图 为 图 b 所 描 述 的 8 字 形 由 于 垂 直 方 向 图 不 是 φ 的 函 数, 立 体 波 束 是 绕 Z 轴 的 旋 转 对 称 体 假 如 半 波 振 子 水 平 放 置, 则 水 平 面 为 8 字 形, 而 垂 直 面 在 自 由 空 间 为 圆 ; 实 际 上 由 于 脱 离 不 了 地 球, 不 管 怎 样 放 置 由 地 面 反 射 干 涉 会 形 成 多 种 花 瓣, 实 际 的 垂 直 方 向 图 是 比 较 复 杂 的, 而 水 平 方 向 图 与 自 由 空 间 差 别 不 大 方 向 图 又 称 波 瓣 图, 水 平 方 向 图 有 时 称 为 场 型 方 向 性 是 一 种 表 示 天 线 能 量 集 中 程 度 的 一 个 参 数, 其 概 念 是 这 样 的 ; 假 定 在 整 个 自 由 空 间 各 向 同 性 的 辐 射 功 率, 而 每 单 位 立 体 角 的 功 率 流 量 为 1, 则 共 需 功 率 流 量 为 4π 然 后 再 用 一 具 有 F(θ,φ) 方 向 图 的 天 线 去 发, 而 此 时 只 要 最 大 方 向 功 率 流 量 为 1,( 如 点 对 点 通 讯, 或 雷 达 等 只 要 求 F(,)=1) 显 然 具 有 方 向 图 的 天 线 所 耗 的 总 功 率 要 小, 两 者 之 比 即 方 向 性 注 : 积 出 来 的 是 球 面 上 的 总 功 率 流 量 而 不 是 体 积 方 向 性 4π D = π 2 π 2 F ( θ, φ) Sinθdθdφ 方 向 性 公 式 中 用 Sinθ 并 且 上 下 限 用 和 π 者, 适 于 对 Z 轴 旋 转 对 称 的 波 瓣, 如 针 状 或 全 向 类 如 电 流 元 方 向 性 为 1.5 若 为 扇 形 波 束, 方 位 面 很 窄, 垂 直 面 很 宽 而 且 在 低 仰 角 上, 这 时 上 式 分 母 中 适 于 用 Cosθ;θ 上 下 限 用 ±π/2, 而 φ 方 向 只 积 很 小 一 个 角 度 增 益 方 向 性 是 个 算 出 来 的 参 数, 只 与 方 向 图 有 关 ; 但 由 于 形 成 方 向 图 的 作 法 不 同, 效 率 η 不 同, 单 从 方 向 性 去 比 较, 并 不 代 表 天 线 的 水 平, 只 有 考 虑 了 效 率 后 的 方 向 性 才 有 相 互 比 较 意 义 故 定 义 : 29

34 增 益 G = 方 向 性 效 率 即 G=ηD 假 如 损 耗 很 小 或 者 效 率 η 很 高 的 话,G D, 如 半 波 振 子 的 方 向 性 为 1.64, 由 于 结 构 很 简 单 没 有 什 么 损 耗, 故 其 增 益 亦 为 1.64, 用 dbi 表 示 即 2.15dBi 或 略 作 2dBi i 即 以 各 相 同 性 的 电 源 为 参 考 ;i 为 isotropic 的 字 头 系 统 对 天 线 的 要 求 除 增 益 外, 还 要 求 匹 配 良 好, 一 般 天 线 也 就 只 要 求 这 两 项 高 档 设 备 还 会 提 出 波 束 宽 度 付 瓣 电 平 三 阶 互 调 等 要 求 4.2 对 称 天 线 一 般 指 水 平 放 置 左 右 对 称 的 天 线 由 于 是 水 平 放 置, 所 以 其 极 化 为 水 平 极 化 这 种 天 线 与 同 轴 电 缆 连 接 时, 要 考 虑 平 衡 问 题 半 波 振 子 半 波 振 子 是 一 种 最 基 本 的 天 线, 一 般 用 于 水 平 极 化, 它 的 方 向 图 见 图 半 波 振 子 常 用 作 标 准 增 益 天 线, 与 它 相 比 的 增 益 为 dbd 加 2dB 即 成 dbi( 通 常 dbi 的 i 字 可 以 省 去, 而 dbd 的 d 字 不 能 省 ) 半 波 振 子 常 用 双 线 平 衡 器 馈 电, 少 许 调 调 长 度 与 短 截 线 的 长 度 即 可 得 到 匹 配 为 了 抵 消 引 线 电 感, 可 加 串 补 线, 串 补 线 长 度 可 调, 三 个 调 节 因 素 ( 振 子 长 度, 串 补 线 长 度, 并 联 线 长 度 ) 可 保 证 调 到 与 5Ω 或 75Ω 相 匹 配, 1.2:1 的 带 宽 内 作 到 ρ 1.5 是 不 难 的 垂 直 排 阵 的 甚 至 可 作 到 ρ 1.15 半 波 振 子 在 比 较 短 时 会 偏 容 性, 若 用 电 感 并 联 会 得 到 较 高 阻 抗 老 式 雷 达 用 此 法 得 到 3Ω, 以 便 并 联 中 馈 串 补 线 也 可 放 到 振 子 臂 中, 看 怎 么 作 方 便 频 率 高 时, 半 波 振 子 适 于 用 印 制 天 线, 此 时 用 微 带 线 对 称 式 平 衡 器 最 合 适 半 波 振 子 常 用 作 简 单 抛 物 面 天 线 照 射 器, 半 波 振 子 也 有 用 作 调 频 台 发 射 天 线, 以 减 少 天 线 尺 寸. 也 有 采 用 十 字 交 叉 并 相 差 9 馈 电 以 改 善 场 型 半 波 振 子 的 阻 抗 与 粗 细 关 系 不 太 大, 当 然 仍 然 是 粗 的 振 子 阻 抗 变 化 平 坦 一 些 折 合 振 子 折 合 振 子 外 形 如 图 所 示 长 度 约 λ/2, 是 由 一 个 波 长 的 金 属 管 弯 成 的,d 这 个 参 数 有 点 任 意, 宽 一 点 窄 一 点 影 响 不 大, 一 般 由 加 工 方 便 外 形 匀 称 来 确 定 粗 细 由 结 构 强 度 确 定 方 向 性 与 半 波 振 子 相 同, 而 输 入 阻 抗 约 3Ω, 适 合 双 线 传 输 线 馈 电, 其 优 点 如 下 : 3

35 由 于 中 点 可 以 接 地, 带 来 安 装 方 便 适 于 穿 入 式 馈 电 宽 带 性 能 较 好, 尤 其 适 合 于 八 木 天 线 作 激 励 器 变 化 两 振 子 间 的 粗 细 比, 可 使 输 入 阻 抗 在 很 大 范 围 内 变 化, 利 于 匹 配 折 合 振 子 的 缺 点 是 加 工 弯 成 时 较 困 难, 调 整 长 度 较 困 难 折 合 振 子 适 于 采 用 板 线 平 衡 器 馈 电 或 λ/2 U 形 环 馈 电, 短 距 离 就 用 明 线 馈 电, 最 漂 亮 的 还 是 穿 入 式 馈 电, 但 需 加 一 段 特 殊 特 性 阻 抗 的 电 缆 才 行 全 波 振 子 ⑴ 全 波 振 子 外 形 与 半 波 振 子 一 样, 只 不 过 长 一 些 而 已 全 波 振 子 越 粗, 阻 抗 越 低, 带 宽 也 越 宽, 假 定 我 们 在 矢 量 网 络 分 析 仪 测 偶 极 子 的 输 入 阻 抗, 发 现 轨 迹 成 ρ 型 ( 见 右 图 ) 低 频 偏 电 容, 频 率 升 高 后 到 第 一 个 谐 振 点 约 73Ω, 即 通 常 的 半 波 振 子 频 率 继 续 升 高, 虚 数 呈 电 感 性, 再 高 达 到 第 二 个 谐 振 点, 即 全 波 振 子 频 率 再 往 高 测 下 去, 还 有 第 三 个 第 四 个 但 由 于 方 向 图 已 分 裂, 不 好 用 了 因 此 通 常 不 是 用 在 第 一 个 谐 振 点, 就 是 用 在 第 二 个 谐 振 点 第 一 个 谐 振 点 与 振 子 粗 细 关 系 小 一 些, 而 第 二 个 谐 振 点 与 振 子 粗 细 关 系 很 大 ; 振 子 细 时, 第 二 个 谐 振 点 的 长 度 在 λ 附 近 随 着 直 径 加 粗, 第 二 个 谐 振 点 阻 抗 越 来 越 低 ( 譬 如 接 近 1Ω), 而 且 长 度 越 来 越 短 ; 甚 至 比 半 波 长 长 不 了 多 少, 如.6λ 左 右 我 们 一 般 用 在.7λ 左 右, 粗 细 匀 称 一 些 初 步 摸 索 单 个 对 称 振 子 尺 寸 时, 通 常 宜 采 用 单 极 子 加 反 射 板 进 行 测 试, 阻 抗 乘 2 即 可 全 波 振 子 有 一 个 优 点, 那 就 是 由 于 中 点 处 于 零 电 位, 可 如 右 图 用 金 属 支 撑 ( 严 格 来 讲 宽 带 工 作 时 支 撑 是 不 会 没 有 电 流 的, 在 极 低 付 瓣 时 可 能 要 研 究 这 个 问 题, 因 为 两 捍 间 距 较 大, 抵 消 作 用 小 了 ) 常 规 应 用 这 样 作 是 正 常 的 当 然 也 可 谨 慎 一 些, 采 用 绝 缘 材 料, 但 好 处 并 不 明 显, 而 且 不 如 金 属 的 牢 靠 全 波 振 子 的 带 宽 显 然 优 于 半 波 振 子, 没 有 辐 射 角 度 要 求 与 间 距 或 尺 寸 要 求 的 地 方, 几 乎 都 用 全 波 振 子 单 个 全 波 振 子 在 加 有 平 行 的 反 射 板 ( 网 ) 后, 其 间 距 离 对 阻 抗 影 响 很 大, 在.4λ 左 右 时, 阻 抗 比 较 集 中, 并 建 议 不 要 超 过.34λ ⑵ 全 波 振 子 对 单 个 全 波 振 子 阻 抗 较 高, 直 接 应 用 不 易 匹 配, 因 此 常 成 对 出 现 ( 见 右 图 ) 连 接 法 有 多 种, 常 用 的 是 用 双 线 直 拉 ( 有 斜 拉 的, 但 高 低 调 节 困 难 ), 这 样 作 既 简 单, 调 试 又 方 便 振 子 可 以 是 圆 筒 形, 为 了 减 少 风 阻 力 也 可 改 成 椭 圆 筒 作 者 作 过 一 种 天 线, 长 轴 约.5λ, 全 振 子 细 长 比 约 2:1, 还 是 比 较 细 的 振 子 长 度 可 调, 以 使 其 谐 振 或 集 中 振 子 对 反 射 网 高 度 也 可 调, 以 便 找 到 阻 抗 轨 迹 集 中 时 的 尺 寸 最 妙 的 是 振 子 对 反 射 网 高 度 在.25λ 时 最 好, 即 阻 抗 与 增 益 并 不 矛 盾, 这 也 是 全 波 振 子 常 成 对 出 现 的 原 因 现 在 有 了 PNA362X 后, 经 过 较 多 的 测 试, 才 敢 这 样 说 31

36 振 子 端 与 双 线 之 间 是 直 接 突 跳 的, 这 样 作 是 为 了 便 于 调 整, 奇 怪 的 是 这 样 作 比 采 用 锥 面 的 阻 抗 轨 迹 还 更 集 中 ( 见 图 ) 在 直 拉 双 线 中 间 a b 两 点, 早 期 采 用 的 是 双 线 平 衡 器, 由 于 电 缆 由 a 点 跳 到 b 点 时 引 入 了 电 感, 只 好 加 入 了 一 段 短 电 缆 以 产 生 电 容 来 进 行 抵 消 这 种 天 线 的 实 测 结 果 带 宽 达 1.7:1, 驻 波 比 起 伏 小, 这 点 比 等 比 结 构 天 线 阵 平 滑 得 多 板 线 平 衡 器 出 现 以 后, 采 用 板 线 的 逐 步 增 多, 尤 其 多 用 于 V 频 段 电 视 发 射 天 线 ⑶ 全 波 四 振 子 阵 全 波 四 振 子 阵 是 用 四 个 全 波 振 子 上 下 排 成 一 个 子 阵, 常 用 于 U 频 段 电 视 发 射 天 线 以 组 成 大 阵 单 元 阵 作 成 能 独 立 应 用 的 子 阵 是 常 用 的 作 法, 譬 如 每 个 振 子 若 能 调 到 2Ω, 则 两 个 一 并 得 1Ω, 两 对 一 并 得 5Ω 这 类 天 线 有 多 种 结 构, 振 子 有 粗 圆 筒 的, 有 圆 盘 的, 有 菱 型 片 的 等 等, 不 一 而 足 ZA=2Ω 的 馈 电 方 式 有 两 大 类 : 一 类 是 先 用 双 线 (2Ω) 将 两 个 相 连 振 子 连 成 一 对, 然 后 再 用 1Ω 双 线 将 两 对 连 在 一 起, 再 经 5Ω 的 双 线 对 称 式 平 衡 器 转 成 同 轴 线 ( 见 右 图 ) 还 有 一 类 是 由 金 属 支 撑 中 引 入 同 轴 线 形 成 穿 入 式 平 衡 器, 先 解 决 平 衡 馈 电, 再 在 金 属 支 撑 中 与 振 子 相 连 的 一 段 内 埋 入 多 节 短 阶 变 换 器, 将 振 子 阻 抗 变 到 2Ω 两 点 并 成 1 Ω 后 再 用 1Ω 同 轴 线 相 连, 两 对 会 合 后 即 得 宽 带 5Ω( 见 右 图 ) 两 种 结 构 都 有 商 品 出 售, 能 作 到 电 视 U 频 段 (47-87MHz) 在 约 2:1 的 带 宽 内 驻 波 比 1.1 的 好 成 绩 ( 达 到 这 种 水 平 可 能 是 几 代 人 努 力 的 结 果, 读 者 要 从 头 试 虽 是 可 能 的, 但 是 很 难 达 到 这 种 水 平, 即 使 有 样 机 也 不 是 一 次 就 能 仿 成 的, 除 了 短 阶 匹 配 器 有 计 算 之 外, 其 他 尺 寸 全 是 调 试 出 来 的 ) 全 波 振 子 与 4 元 子 阵 的 性 能 离 不 开 反 射 网, 因 此 反 射 网 的 参 数 是 在 单 元 定 型 时 就 定 下 来 的 网 的 稀 密 程 度 一 般 也 有 书 可 查, 常 用 透 过 率 为 -2dB, 但 也 有 用 更 稀 的, 总 之 以 实 测 为 准 U 频 段 时, 反 射 网 多 为 实 板, 这 是 为 了 便 于 密 封, 将 全 波 四 振 子 阵 作 成 一 个 带 玻 璃 钢 密 封 罩 的 整 件 ( 俗 称 面 包 板 ) 去 组 阵 是 非 常 方 便 的 其 实, 作 到 2:1 的 带 宽 并 无 多 大 实 用 价 值, 因 为 每 个 电 视 台 所 占 的 带 宽 是 有 限 的 ; 同 时 还 要 考 虑 到 场 型 的 要 求 以 及 分 馈 电 缆 的 实 际 水 平 还 是 对 不 同 台 专 门 设 计 好 一 些, 这 种 标 准 化 意 思 不 大 全 波 振 子 的 试 制 工 作 量 是 不 小 的, 但 是 试 成 以 后 只 要 加 工 精 度 有 保 证, 一 致 性 不 错 八 木 天 线 32

37 1. 人 们 把 如 图 所 示 的 这 类 天 线 叫 八 木 天 线 ( 据 说 这 种 天 线 由 日 本 人 宇 田 所 创, 八 木 仅 作 了 介 绍 ), 英 文 译 音 叫 亚 其 (Yagi) 天 线, 俄 文 称 之 为 波 渠 (Волнавои Канал) 天 线, 也 有 人 称 之 为 寄 生 天 线, 引 向 天 线 等 等, 叫 八 木 习 惯 一 些, 还 有 点 象 形 之 意 常 规 八 木 天 线 由 一 根 反 射 元, 一 根 激 励 元 ( 发 射 体 ) 多 根 引 向 元 ( 器 体 ) 组 成 从 其 机 理 与 实 践 来 看, 这 种 用 杆 子 排 成 的 特 殊 传 输 线, 是 一 种 慢 波 传 输 线 杆 长 接 近 λ/2 时, 衰 减 很 快, 慢 波 建 立 不 起 来 而 杆 长 <λ/2 时, 譬 如.44λ( 此 值 与 杆 的 粗 细 有 关 ), 即 可 传 输 慢 波 杆 子 越 长 波 速 越 慢, 杆 子 越 短 波 速 越 快, 以 致 与 自 由 空 间 相 同 杆 子 的 间 距 也 影 响 相 速, 间 距 越 近 相 速 越 慢, 间 距 越 远 相 速 越 快 基 于 这 种 理 论 与 实 践, 把 八 木 天 线 由 第 一 根 引 向 元 开 始 向 右 所 有 引 向 元 看 成 是 个 整 体 ( 引 向 区 ), 而 把 激 励 元 与 反 射 体 看 成 是 激 励 区 是 合 适 的 反 射 元 只 是 激 励 元 的 反 射 器, 它 只 是 为 了 提 高 激 励 效 率 而 设 的, 并 不 是 整 个 八 木 天 线 的 反 射 器, 这 可 以 通 过 实 践 来 证 明, 在 一 根 长 八 木 天 线 中, 去 掉 反 射 体 后 对 天 线 前 后 比 影 响 并 不 大 激 励 体 通 常 由 一 根 激 励 元 ( 单 激 ) 与 一 根 反 射 元 组 成 ( 为 了 提 高 效 率, 也 有 用 立 体 放 置 的 两 根 或 三 根 反 射 元 ), 也 有 用 两 个 激 励 元 形 成 双 激 的, 甚 至 激 励 体 用 一 等 比 结 构 偶 极 子 阵 作 成, 而 形 成 等 比 结 构 激 励 的 八 木 天 线 有 的 书 上 把 八 木 天 线 说 成 是 一 种 窄 带 天 线, 带 宽 只 有 百 分 之 几, 其 实 并 不 如 此 2. 八 木 天 线 尺 寸 的 选 定 ⑴ 总 长 L 的 选 定 总 长 是 由 增 益 要 求 决 定 的, 八 木 天 线 是 中 等 增 益 的 天 线, 一 般 在 1~3 倍 左 右, 根 据 作 者 所 作 的 不 同 长 度 八 木 天 线 ( 最 长 有 6λ 的 ), 最 高 点 增 益 Gmax 大 致 符 合 下 式 ( 即 端 射 常 用 式 ): L Gmax 1 (4.1) λ min 有 的 书 上 说 增 加 一 元 增 加 一 分 贝, 或 认 为 增 益 正 比 于 元 数 由 于 增 益 来 自 方 向 图, 方 向 图 主 要 决 定 于 参 与 形 成 方 向 图 的 口 径 ( 在 这 里 是 总 长 ), 因 此 用 增 益 正 比 于 总 长 的 波 长 数 是 更 合 适 的 注 意,G 与 λ 皆 指 最 佳 点 ( 一 般 为 频 带 中 的 上 限 或 稍 抵 一 点 ) 才 符 合 的 关 系, 而 不 是 带 内 其 他 点 的 增 益, 其 他 点 的 增 益 G 要 比 式 4.1 低 两 者 频 率 比 的 平 方 倍, 甚 至 更 低 ( 这 是 由 有 效 面 积 公 式 得 到 的 关 系 式, 面 积 一 定 时, 增 益 反 比 于 波 长 平 方, 正 比 于 频 率 平 方 ) G =Gmax ( f f H 2 ) = 1 λ L min 2 ( ) λ min λ = 1 λ L λ ( min λ ) (4.2) ⑵ 元 间 距 的 选 定 总 长 选 定 后 就 要 选 定 各 元 之 间 的 间 距, 主 要 指 引 向 元 之 间 的 间 距 变 间 距 可 以 调 节 天 线 性 能, 八 木 天 线 有 用 变 间 距 的 作 者 并 未 发 现 引 向 元 不 等 间 距 有 特 殊 影 响 ( 而 引 向 体 与 激 励 元 的 间 距 是 很 有 影 响 的 ) 而 且 变 间 距 外 形 上 不 好 看, 因 此 我 们 习 惯 于 等 间 距 一 般 书 上 介 绍 的 间 距 都 是 比 较 大 的, 有 用 到.34λ 的, 但 也 有 密 到.1λ 的 作 者 曾 经 用.13λ 与.2λ 两 种 间 距 而 总 长 皆 为 1.8λ 的 天 线 进 行 了 比 较, 发 现.2λ 者, 主 瓣 较 窄, 约 36, 边 瓣 与 主 瓣 明 显 分 开, 边 瓣 幅 度 约 -1dB 左 右 ; 而.13λ 者, 主 瓣 约 42, 而 边 瓣 形 成 肩 膀, 并 不 明 显 分 离, 幅 度 在 -2dB 左 右 从 排 阵 要 求 出 发, 选 定 了 密 间 距 的 若 仅 仅 着 眼 于 增 益, 用 大 间 距 可 减 少 元 数, 大 批 生 产 33