白瀅露

（作者單位：甘肅省廣播電視局信息中心）

反射測量在廣播電視射頻傳輸通道的統(tǒng)調(diào)與日常運(yùn)行維護(hù)中會經(jīng)常用到。其通道內(nèi)的反射現(xiàn)象，不僅會影響廣播電視信號的無線覆蓋效果，而且還關(guān)系到整個射頻傳輸通道工作的穩(wěn)定性，所以，對反射測量技術(shù)的研究十分必要。

本文列舉的測量案例，是在虛擬電子設(shè)計工作平臺上實(shí)現(xiàn)的，并不意味在現(xiàn)實(shí)中也可以采用的測量方法，只是為了讓讀者更好地理解物理現(xiàn)象本質(zhì)，并從本質(zhì)上掌握相關(guān)知識點(diǎn)。本文涉及三方面的內(nèi)容：一是相關(guān)物理參數(shù)的定義以及其數(shù)學(xué)表達(dá)式，受篇幅的限制，表達(dá)式的推導(dǎo)過程均被略去。二是仿真測量儀器的使用以及測量原理介紹。三是仿真平臺上測量電路的搭建與測量仿真。

1 反射測量涉及的概念和計算公式

在廣播電視射頻傳輸通道中，不論有源器件還是無源器件，器件連接處就會產(chǎn)生反射現(xiàn)象。而克服或減小反射的技術(shù)方法，就叫“匹配”。匹配的好壞，通?？梢杂脙身?xiàng)指標(biāo)來衡量，一個是反射系數(shù)，另一個是駐波比。

1.1 反射系數(shù)的定義

射頻傳輸通道同一點(diǎn)位上的反射波電壓或電流與入射波電壓或電流之比，定義為反射系數(shù)[1]。

反射系數(shù)不僅能反映反射波與入射波的大小，還能反映兩者之間的相位關(guān)系。由于射頻傳輸通道不同點(diǎn)位上的入射波和反射波的電壓和電流存在大小和相位的差異，所以反射系數(shù)一般都要指明具體點(diǎn)位上的反射系數(shù)才有意義。饋線與天線連接處的反射系數(shù)通常用ρo來表示，饋線特性阻抗和天線阻抗分別用Zo和Zl表示，計算公式為：

1.2 駐波比的定義

入射波電壓和反射波電壓在傳輸線上疊加后的駐波電壓最大值與入射波電壓和反射波電壓在傳輸線上疊加后的駐波電壓最小值之比，為駐波比[5]，以字母S來表示，Vr和Vf分別表示入射波和反射波電壓。

依據(jù)駐波比的定義，其計算表達(dá)式可表示為：

1.3 駐波電壓最大值和最小值在傳輸線上點(diǎn)位的確定

找準(zhǔn)傳輸線上駐波電壓最大值和最小值出現(xiàn)的點(diǎn)位，是測量線上駐波電壓的關(guān)鍵。設(shè)X為傳輸線上任意一點(diǎn)距離終端的距離，α為終端反射系數(shù)的幅角，λ為饋線中電磁波波長。

當(dāng)α＞0時，

距離參考點(diǎn)最近的一個電壓最大值點(diǎn)：

距離參考點(diǎn)最近的一個電壓最小點(diǎn)：

當(dāng)α＜0時，

距離參考點(diǎn)最近的一個電壓最大值點(diǎn)：

距離參考點(diǎn)最近的一個電壓最小點(diǎn)：

1.4 反射系數(shù)的模，與駐波比的轉(zhuǎn)換公式

2 仿真用到的測量儀器

2.1 雙通道示波器

雙通道示波器它不僅可以顯示信號的波形，還可以通過顯示波形來測量信號的頻率、幅度和周期等參數(shù)。

該仿真用雙蹤示波器，有4個端點(diǎn)，A、B端點(diǎn)分別為兩個通道，G為接地端，T為外觸發(fā)輸入端。虛擬的雙蹤示波器的連接與實(shí)際示波器稍有不同，一是A、B兩通道只有一根線與被測點(diǎn)相連，測的是該點(diǎn)與地之間的波形；二是當(dāng)電路圖中有接地符號時，雙蹤示波器的接地端可以不接。

2.2 反射測量儀

本文仿真測量用到的反射測量儀實(shí)際上是從阻抗電橋工作原理演變而來，該測量儀簡化了阻抗電橋測量程序，使測量變得高效[2][4]。其變換過程如圖1和圖2所示。

圖2 反射測量儀電路圖

圖1是一個阻抗電橋，不同之處就是用一個阻抗Zo替換掉用來測量的電壓表。

圖1 阻抗電橋

圖1中虛線部3個阻抗元件連接成△型。圖2是反射測量儀電路，圖中虛線部3個阻抗元件連接成Y型。在《電工基礎(chǔ)》中，虛線部△型和Y型兩種形式是可以互換的。通過推導(dǎo)計算，Y型結(jié)構(gòu)中的每個阻抗元件值，換成△型內(nèi)阻抗值的1/3時，圖1和圖2就可以完全等效。容易推導(dǎo)出圖2中C、D兩點(diǎn)電壓的計算公式：

式中VS為激勵源電壓。如果把公式中Zx理解為待測電路的負(fù)載Zl，Zo理解為饋線的特性阻抗，以及反射系數(shù)與負(fù)載關(guān)系式，可以得到反射系數(shù)另一求算公式：

由此，圖2就是一個測量反射系數(shù)的測量儀的電路。測量中，只要用示波器測出VCD電壓，以及與VS之間的相位差，就可求出對應(yīng)的反射系數(shù)。

3 反射的仿真測量

廣播電視射頻信號的傳輸，都是通過射頻線纜實(shí)現(xiàn)的。傳輸射頻信號的線纜泛稱傳輸線，常用有兩種：雙線與同軸線。頻率更高則會用到微帶線與波導(dǎo)，雖然結(jié)構(gòu)不同，用途各異，但其基本傳輸特性都由傳輸線公式所表征。在射頻條件下，傳輸線的傳輸特征，會顛覆人們對低頻線纜傳輸電信號的認(rèn)知。比如，在射頻條件下，在某個頻率上同軸線末端開路時其輸入阻抗可以呈現(xiàn)短路，而末端短路時輸入端阻抗反而呈現(xiàn)開路。

基于以上事實(shí)，在做仿真實(shí)驗(yàn)時，在元件庫中選擇仿真?zhèn)鬏斁€時，在設(shè)置其工作參數(shù)時，不僅需要設(shè)置頻率參數(shù)，而且一定要以波長數(shù)來設(shè)置其工作長度，而不是絕對長度。下面以均勻無耗傳輸線三種工作狀態(tài)，具體分析反射現(xiàn)象。

3.1 行波狀態(tài)：負(fù)載阻抗等于饋線特性阻抗時的狀態(tài)

其特點(diǎn)是傳輸線上只有入射波，沒有反射波；饋線上各點(diǎn)位上的電壓和電流的幅值等于入射波的幅值；各點(diǎn)位上的阻抗等于饋線的特性阻抗。

3.2 駐波狀態(tài)：饋線的負(fù)載開路或短路時的狀態(tài)

其特點(diǎn)是傳輸線上既有入射波，也有反射波；饋線上會出現(xiàn)純駐波電壓、電流的波節(jié)點(diǎn)和波腹點(diǎn)；波節(jié)點(diǎn)幅值為0，波腹點(diǎn)幅值為入射波幅值的兩倍；各點(diǎn)阻抗因位置不同呈現(xiàn)容抗和感抗的交替變化。

3.3 行駐波狀態(tài)：負(fù)載與傳輸線特性阻抗不等時的狀態(tài)

其特點(diǎn)是傳輸線上既有入射波，也有幅度小于入射波的反射波；饋線一些位置上會出現(xiàn)電壓、電流的波節(jié)點(diǎn)和電壓、電流的波腹點(diǎn)；波節(jié)點(diǎn)幅值不為0，波腹點(diǎn)幅值小于入射波幅值的兩倍；線上各點(diǎn)阻抗因位置不同呈現(xiàn)復(fù)阻抗變化形式。

三種狀態(tài)中，行波狀態(tài)嚴(yán)格說在現(xiàn)實(shí)中是不存在的，駐波狀態(tài)是要盡一切可能避免的，行駐波狀態(tài)才更符合現(xiàn)實(shí)狀況。下面以計算法、波形測量法和反射測量儀器法分別對行駐波狀態(tài)下的反射進(jìn)行討論。

3.3.1 計算法

設(shè)定負(fù)載阻抗Zo=55+j5Ω。根據(jù)公式（1），可求得負(fù)載端的反射系數(shù)的模|ρo|=0.067，反射系數(shù)幅角α=0.733。根據(jù)公式（7），可求出饋線上的駐波比S=1.144。

根據(jù)公式（3）和（4），可求出饋線上距離負(fù)載最近處波腹和波節(jié)點(diǎn)的距離分別為Xmax=0.058λ和Xmin=0.308λ。

3.3.2 仿真波形測量法

首先啟動仿真軟件Multisim12.在工作桌面建立仿真電路如圖3所示[3]。

圖3 仿真測量電路

圖3中S為電壓激勵源，L1、L2、L3為3個均勻無耗傳輸線段，Z為負(fù)載。

參數(shù)設(shè)置，電壓激勵源V的電壓峰值幅度設(shè)置為1 V，頻率為1 MHz，每段均勻無耗傳輸線段的工作頻率為1 MHz，特性阻抗50 Ω，負(fù)載阻抗設(shè)置為55+j5Ω，線段長度應(yīng)根據(jù)波腹和波節(jié)電壓距離負(fù)載端最近距離公式確定。

啟動仿真開關(guān)，示波器顯示測量結(jié)果為：饋線上電壓最大值為1.067 V，電壓最小值為932.487 mV。

根據(jù)公式（2）和公式（7），可得駐波比S=1.144。負(fù)載端處的反射系數(shù)的模|ρo|=0.067。

3.3.3 仿真反射測量儀法

仿真反射測量儀由激勵源S，2個R1電阻和3個R2電阻構(gòu)成，如圖3右側(cè)仿真電路所示。

參數(shù)設(shè)置，激勵源V幅值為1 V，頻率為1 MHz；R1為50 Ω，R2為16.67 Ω；負(fù)載阻抗設(shè)置為Z=55+j5Ω。

啟動仿真開關(guān)，示波器顯示測量結(jié)果為：測試端電壓VCD=8.423 mV，已知激勵源S幅值為1 V。測試電壓的最大值與激勵源的最大值的時延為Δt=125.977 nS。根據(jù)公式（9），負(fù)載終端反射系數(shù)的模|ρo|=0.067。根據(jù)時延Δt，可以計算出反射系數(shù)幅角α=0.739。

從上面討論可知，計算、波形測量和反射儀測量，三種方法都得到了相同結(jié)果，說明在研究反射現(xiàn)象時，這三種方法既可獨(dú)立使用，也可綜合使用。

4 結(jié)語

反射現(xiàn)象既可以用反射系數(shù)，也可用駐波比來研究，但從兩者的測量方法和測量結(jié)果看，還有很大不同。以無耗均勻傳輸線上的反射現(xiàn)象為例，反射系數(shù)對“點(diǎn)”，對點(diǎn)講反射系數(shù)才有意義。駐波比對“線”，對線駐波比才能測量。另外，反射系數(shù)不僅確定了入射波和反射波的大小比例關(guān)系，還確定了兩者之間的相位關(guān)系；駐波比僅僅表示了線上最大值與最小值的比例關(guān)系?，F(xiàn)實(shí)中，想在傳輸線上測量出駐波最大值和駐波最小值，絕不是在傳輸線上隨意位置開孔測量那樣簡單，不通過特殊技術(shù)手段是很難測得的?；谝陨显?，現(xiàn)實(shí)中研究反射現(xiàn)象時，可以根據(jù)不同需要、不同測試環(huán)境做多種不同的選擇。