http://bv3fg.tripod.com/cqm/11/11051.htm 傳輸線特性介紹No.11 1993 Sep p51~55, by 劉克正 / BV2CL 台北93-32信箱
| 在業餘無線電的領域裡，傳輸線必須將發射功率傳送到天線端，並將天線端所接收到的微弱訊息，傳送到接收機；所以，使用良好的傳輸線可以增進收發效率。在此討論傳輸線的特性、電波反射及負載阻抗： |
傳輸線的種類 現在最常使用於無線電的傳輸線是同軸電纜線 (Coaxial Cable)，傳遞頻率約為 1000MHz 以下的頻帶；其次是平行線，廣泛應用於電視天線的傳輸，價格非常低廉，早期業餘活動中常有所見。在微波領域 SHF 頻帶 (3GHz-30GHz) 以上，就要利用導波管 (Waveguide Tube) 做為傳導，將導波管內外鍍以金銀，以保持信號不致散失。 這些傳輸線和一般所用的電線是有所不同的，主要是傳送信號頻率的不同。當信號頻率愈高時，電線中的分佈電容、導體的電感特性，都會成為特性改變的因素。 同軸電纜線特性- 中心導體供電，外部隔離網接地，兩者之間為電介質，常為泡棉、空氣... 隔離性良好的材質。
- 隔離效果較佳，受環境影響較小。
- 傳輸效果較差，傳輸線損耗較大。
- 傳輸特性阻抗常為 50-150Ω，業餘活動使用 50Ω，電視系統使用 75Ω。
- 常用規格有美規 RG 系列編號，如： RG-58、RG-8 等。日規編號為 5D-2V、8D- FB、10D-SFA 等，中間有 "D" 者為 5OΩ；若是 3C-2V、5C-FB 等，中間為 "C" 者，則是電視專用之 75Ω同軸線，不能隨意在業餘系統中應用。
平行線特性- 兩條線平行寬度和使用頻率有相關性；頻率愈低，寬度增大，用於業餘 HF 頻帶時較不方便。
- 兩條平行線的信號呈反相，互相差 180°，藉以減少干擾的程度。
- 隔離效果不如同軸線良好，易干擾外部，或受外部干擾傳輸線上的信號；雨水附著其上，傳遞效率會降低。
- 傳輸效果較同軸線優良，因為導體之間分佈電容較小。
- 傳輸特性阻抗為 150Ω ~ 600Ω，常用為 300Ω。
此兩種傳輸線優缺點比較下，以同軸線有較長的壽命和不錯的特性，選購上以使用目的為主要考量，特性要符合使用時可能達到之額定值以上才可。
傳送損耗因素銅質損失 一、I2R 損失：傳輸線中導體內電阻值在電流流經時，即消耗部份功率： 導體內阻值為 R，導體長度為 L，導體之截面積為 A，金屬電阻係數為ρ (唸成 Rho)，銅≒ 1.7x10-6( 歐姆 / 公分 )，則：
二、集膚效應 (Skin Effect)：當傳輸線中導體的訊號頻率上升至百 MHz 的時候，導體內部電流分佈呈現不平均狀態，導體截面的外圈集中多數的電流，中心部份僅有少數電流流經，在 V/UHF 傳送大功率時，會使同軸線中心導體表面發黑氧化，使用一段時間後，必須更換。 介質損失 同軸線中間的絕緣材質，如泡綿、空氣等，介於導體和隔離網之間，在金屬平面間會產生電容效應，此絕緣性材料相等於電容的電介質，希望是漏電程度愈小愈好，最好的選擇是空氣同軸線。 輻射損失 傳送訊號波長愈短，愈容易從導體向外擴散幅射，同軸線隔離綱要抑制幅射造成損失，故高頻信號需利用緊密、雙層隔離編織網的同軸線。 等效電路
 | 圖 1. 傳輸線等效電路，為單位元素無限延伸的組合。
[ 圖 1 ] 是一種簡略說明同軸線的等效電路，它可以代表傳輸線的特徵，整段同軸線可看成它的無限串聯延伸：R 為導體電阻 (Ω：歐姆 )；L 為導體的電感效應之電感值 (H：亨利 )；C 為絕緣材料之間導體的電容量 (F：法拉 )；G 為絕緣材料中漏電之電導值 (：姆歐 ) 。以理想無損耗的傳輸線而言，R 和 G 都為零，即導線無電阻和完全不漏電之電容，則信號可無限傳遞。 在數學推導得到傳輸線阻抗為 Z0：
 | | → [ 公式 2 ] |
而理想傳輸線可簡化成 Z0'：
 | | → [ 公式 3 ] |
 | 圖 2. 天線調諧器之功用和連接
從 [ 公式 3 ] 獲知傳輸線阻抗和內部電感量及電容量佔多數的關係，若同軸線阻抗為 50Ω，發射機輸出阻抗為 50Ω時，且天線於發射頻率的特性阻抗也呈 50Ω，為同軸線內部不會產生反射信號的含義。 由於天線並不會保持 50Ω 阻抗，它隨著頻率而有改變，如 [ 圖 2 ] 所示，當天線不為 50Ω時，利用天線調諧器改變 L 和 C 值，使傳輸線二段阻抗由原先 50Ω改成和天線相近的阻抗，達到互相匹配，以獲得最大傳輸功率和減少反射信號。
 | 圖 3. 輸入信號和負載在同軸線的連接。
反射係數 [ 圖 3 ] 中，反射係數Γ (Gmma) 定義為反射信號 Er 和輸入信號 Ei 的比值
| ErΓ= ---- Ei | | → [ 定義 1 ] | | EL Ei+Er則：ZL= ---- = ------- IL Ii+Ir | | | | Er 1 + ---- Ei= --------------- Ii Ir ---- + ---- Ei Ei | | ( 提出 Ei ) | | 1 + Γ= --------------- 1 Γ ---- - ---- Zo Zo | | | | 1 + Γ= Zo˙ -------- 1 - Γ | | → [ 公式 4 ] | | [ 公式 4 ]可改變形式為： | | | | ZL - ZoΓ= ----------- ZL + Zo | | → [ 公式 5 ] |
當傳愉線特性 Z0 為 50Ω時，Γ能的值介於 -1~1 之間，Γ =0 時表示傳輸線不反射信號，此時傳統線特性 Z0 為 50Ω，且天線端 ZL 也為 50Ω。 當輸入信號 Ei 和反射信號 Er 相會時，就會產生合成作用，出現合成波 EL，其關係式為 EL=Ei+Er，合成波有兩種影響： 一、增加能量消耗：輸入信號 Ei 希望能傳送至天線端 ZL 部份，過程中不損失為最佳，但現在 Z0 和 ZL 不相同，即產生反射信號；除了不匹配，還產生削減作用；若反射信號功率過大，甚至燒毀發射機末級功率放大元件。
二、傳輸線諧振：(1) 反射信號 Er=0，傳輸線稱為非諧振線，適用於一般傳遞用途。
(2) 反射信號 Er ≠ 0，即傳輸線 Z0 和天線阻抗 ZL 不相等，傳輸線就成為諧振線。
駐波比 駐波比 "Standing Wave Ratio"，縮寫為 SWR，有時針對電壓討論有 VSWR，而業餘常用到的駐波比表，是經由下列公式產生：
| EL (max)SWR ＝ ------------ EL (min) | | → [ 定義 2 ] | | EL (max) Ei + ErSWR ＝ ------------ ＝ ----------- EL (min) Ei - Er | | ( 提出 Ei ) | | | Er | 1 + ------- | Ei | 1 + | Γ | ＝ --------------- ＝ ------------- | Er | 1 - | Γ | 1 + ------- | Ei | | | → [ 公式 6 ] | | | Γ | ＝ ρ ( Rho )，介於 0 ~ 1 | | → [ 定義 3 ] | | 1 + ρ所以，SWR ＝ ------------ 1 - ρ | | → [ 公式 7 ] |
駐波比可能數值：
ＺL＝Ｚ0，Γ＝０，ρ＝０，ＳＷＲ＝１
ＺL≠Ｚ0，－１＜Γ＜１但Γ≠０，０＜ρ＜１，１＜ＳＷＲ＜∞
駐波比和天線阻抗換算 從 [ 公式 7 ] 和 [ 公式 5 ]知：
| 1 + ρ 1 + | Γ | ZL - ZoSWR ＝ ---------- ＝ -------------，和 Γ＝ ----------- 1 - ρ 1 - | Γ | ZL + Zo | 一、若 Γ 介於 0 ~ 1 之間，則 Γ = ρ，且：
| | ZL - Zo 1 + ----------- ZL + Zo ZL + Zo + ZL - Zo ZLSWR ＝ ------------------- ＝ --------------------- ＝ ------ ZL - Zo ZL + Zo - ZL + Zo Zo 1 - ----------- ZL + Zo | | 即：ＺL＝ＳＷＲ˙Ｚ0，當０＜Γ＜１ → [ 公式 8 ] |
[ 公式 8 ] 說明反射係數為正數值時，且使用 SWR 表測得之 SWR 值乘以同軸線阻抗 Z0=50Ω，即得天線阻抗 ZL。 二、若Γ介於 -1 ~ 0 之間，則Γ = -ρ，
| Zo - ZL 1 + ----------- Zo + ZL Zo + ZL + Zo - ZL ZoSWR ＝ ------------------- ＝ --------------------- ＝ ------ Zo - ZL Zo + ZL - Zo + ZL ZL 1 - ----------- Zo + ZL | | 即：Ｚ0＝ＳＷＲ˙ＺL，當－１＜Γ＜０ → [ 公式 9 ] |
當 SWR 表指示為 1.5 時，天線阻抗值可能為 1.5 x 50 = 75Ω，或 1/1.5 x 50 ≒ 33.3Ω，需視反射係數Γ來判斷，利用一部示波器 來測量輸入信號 Ei 和接至負載端 ZL 端電壓 EL ，即可知Γ的正負性。 欲求得正確天線阻抗 ZL，以業餘角度而言，可利用雜訊電橋配合無線電機量測出 (請參考本刊第 8 期 101-103 頁 )
 | 圖 4. 電流流向路徑
天線匹配和效率 [ 圖 4 ] 中，電流 Ｉ＝ Ｅ／（Ｚ0＋ＺL），天線所獲得之功率為：PZL=I2˙ZL
在不同天線阻抗時所獲得之效率η (Eta)
SWR 值為 1.5 時，天線 ZL=75Ω或 33.3Ω，可求天線效率η，利用 [ 公式 10 ]：
所以 SWR=1.5 時，到天線之效率是相同的，皆為最大值的 96%，且有 4% 因為不匹配而產生反射功率；若從發射機輸出 100W 功率，有 96W 送至天線，其餘 4W 造成功率放大元件額外的熱能。 利用 [ 公式 8、9、10 ] 製成下表：
| SWR | 天線阻抗Ω | 天線吸收率 | 天線反射率 | | 1.0 | 50 | 100% | 0% | | 1.1 | 55 或 45.5 | 99.8% | 0.2% | | 1.2 | 60 或 41.7 | 99.2& | 0.8% | | 1.3 | 65 或 38.5 | 98.3% | 1.7% | | 1.4 | 70 或 35.7 | 97.2% | 2.8% | | 1.5 | 75 或 33.3 | 96.0% | 4.0% | | 1.6 | 80 或 31.3 | 94.7% | 5.3% | | 1.7 | 85 或 29.4 | 93.3% | 6.7% | | 1.8 | 90 或 27.8 | 91.8% | 8.2% | | 1.9 | 95 或 26.3 | 90.4% | 9.6% | | 2.0 | 100 或 25 | 88.9% | 11.1% | | 3.0 | 150 或 16.7 | 75.0% | 25.0% | | 4.0 | 200 或 12.5 | 64.0% | 36.0% | | 5.0 | 250 或 10 | 55.5% | 44.5% | 駐波比和天線阻抗效率換算表
一般操作時，若功率在 100W 以上、SWR 超過 2.0 以上時，必須要警覺發射部份，它可能有 11.1% 的反射功率，可利用天線調諧器保護機子，但調諧器免不了會消耗功率，根本之道還是做好天線部份匹配的工作，不可降低天線的增益、方向性等，否則天線會成為假負載的一種，當然欲達成 DX 主動攻擊，更需具備 12 米以上的鐵塔，操作 10、15、20 米波段才能得心應手，南征北討。
諧振線的應用
 | 圖 5. 傳輸線長度影響阻抗
一、當負載 ZL = 0 時，稱為短路諧振線，且
ZS = 0Ω(短路)：長度 L 為 0, λ/2, λ ...
ZS = ∞Ω(開路)：長度 L 為 λ/4, 3λ/4, 5λ/4 ...
雖然 ZL 被短路；了，但從傳輸線可得開路的結果。 二、當負載 ZL = ∞ 時，稱為開路諧振線，且
ZS = 0Ω(開路)：長度 L 為 0, λ/2, λ ...
ZS = ∞Ω(短路)：長度 L 為 λ/4, 3λ/4, 5λ/4 ...
相同地，ZL 開路，卻可從 ZS 端得短路或開路的阻抗。 三、負載為 ZL，傳輸線長度 L 為 λ/4 的偶數倍時：
ZS = ZL，當 L 為 0, λ/2, λ ...
ZS與傳輸線阻抗Z0無關。
 | 圖 6. λ/4 長之傳輪線應用於阻抗匹配。
四、負載為 ZL，傳輸線長度 L 為 λ/4 的奇數倍時：
ZS = Z02 / ZL，當 L 為 λ/4, 3λ/4, 5λ/4 ... [ 圖 6 ] 利用 75Ω傳輸線來匹配輸出阻抗為 50Ω的發射機，此傳輸線長度可為 λ/4, 3λ/4, 5λ/4 …，都有相同特性。 ZL = Z02 / ZS = 752 / 50 =112.5Ω 當ZL = 112.5Ω左右時，可以達成匹配 
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發表於 2011-12-6 00:06:05
樓主
....當兵時後 晚安曲 哎呀 好懷念!!!~~~
發表於 2011-12-6 16:04:41
