一款高性價(jià)比失配負(fù)載的設(shè)計(jì)與制作

胡宗旭

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所共性技術(shù)部，四川成都，610036）

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，電子裝備對(duì)整個(gè)戰(zhàn)爭(zhēng)起著非常重要的作用。而軍事電子裝備之一的通信電臺(tái)，在整個(gè)戰(zhàn)局指揮中起著千里眼順風(fēng)耳的作用。故各類大、中、小功率電臺(tái)和多功能電臺(tái)發(fā)展迅猛，在部隊(duì)各個(gè)編制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 概論

軍用通信電臺(tái)在生產(chǎn)階段或日常維護(hù)的時(shí)候，我們需測(cè)試的指標(biāo)多且要求嚴(yán)格，其中有一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，就是發(fā)射機(jī)的帶負(fù)載能力，即負(fù)載容限測(cè)試。假負(fù)載（模擬天線用的失配負(fù)載）作為測(cè)試發(fā)射機(jī)的負(fù)載容限，是檢驗(yàn)通信電臺(tái)發(fā)射機(jī)使用壽命的重要一環(huán)。理想匹配的發(fā)射機(jī)輸出，應(yīng)接75歐姆標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載（天線），因?yàn)橹挥性谧杩蛊ヅ鋾r(shí)才意味著從發(fā)射機(jī)輸出傳遞給負(fù)載（天線）能提供最大發(fā)射功率。但在用戶實(shí)際使用時(shí)，由于受饋線電纜（傳輸線）的長(zhǎng)度、連接頭的接觸和天線自身阻抗的偏差影響，實(shí)際阻抗和發(fā)射機(jī)所需的標(biāo)準(zhǔn)阻抗已經(jīng)發(fā)生了變化，不再相等，這就叫負(fù)載失配。若負(fù)載失配程度超過(guò)發(fā)射機(jī)設(shè)定的負(fù)載容限值，由阻抗不匹配的負(fù)載過(guò)輕或過(guò)重而燒壞發(fā)射機(jī)。

在生產(chǎn)過(guò)程為使發(fā)射機(jī)有效模擬用戶使用，適應(yīng)饋線、連接和天線，我們用電壓駐波比（VSWR）為2.5和3.5的失配負(fù)載對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行負(fù)載失配容限測(cè)試。這樣做的目的使發(fā)射機(jī)能更好適應(yīng)用戶使用，即小于或等于2.5時(shí)發(fā)射機(jī)仍然能正常工作，大于或等于3.5時(shí)發(fā)射機(jī)啟動(dòng)保護(hù)功能。目前，實(shí)現(xiàn)該兩項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試的失配負(fù)載市場(chǎng)售價(jià)昂貴，性價(jià)比差，本人根據(jù)工作需要設(shè)計(jì)制作出一款高性價(jià)的失配負(fù)載。

2 失配的機(jī)理分析

發(fā)射機(jī)輸出在設(shè)計(jì)時(shí)按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)連接標(biāo)準(zhǔn)75Ω負(fù)載（天線），而負(fù)載也盡可能的接近標(biāo)準(zhǔn)75Ω，為什么在用戶實(shí)際使用時(shí)還會(huì)引起失配呢？這里我們來(lái)分析下連接發(fā)射機(jī)輸出和天線之間的饋線（電纜）。

饋線是用來(lái)連接發(fā)射機(jī)輸出至天線之間的線段。饋線可以用由串聯(lián)的電感、電阻及并聯(lián)的電容和電導(dǎo)組成的分布電路表示，如圖1所示。

圖1

圖1中，L表示單位長(zhǎng)度上的電感（H/m）；R表示單位長(zhǎng)度上的電阻（Ω/m）；C表示單位長(zhǎng)度上的電容（F/m）；G表示單位長(zhǎng)度上的電導(dǎo)（S/m）。

根據(jù)圖1饋線的分布電路，我們來(lái)分析如圖2所示的一段無(wú)限長(zhǎng)的饋線。饋線上某幾個(gè)點(diǎn)處的電壓和電流值在圖中給出，如圖2所示。

圖2

由圖2可知，對(duì)于無(wú)限長(zhǎng)的饋線，電壓與通過(guò)該點(diǎn)的電流相除所得的比值，這個(gè)比值就是該饋線的特性阻抗。數(shù)學(xué)上表示為：

特性阻抗=Z0=V1/I1=V2/I2=V3/I3=······=Vn)/l1n(

也就是說(shuō)當(dāng)饋線趨于無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，電信號(hào)就能無(wú)反射地沿前行方向連續(xù)傳播?；蛘邠Q句話說(shuō)，當(dāng)饋線的終端天線可以吸收全部入射信號(hào)時(shí)，從電壓源看進(jìn)去饋線似乎有無(wú)限長(zhǎng)的電長(zhǎng)度，見圖2。

在實(shí)際應(yīng)用中，饋線的長(zhǎng)度總是有限長(zhǎng)的，當(dāng)有限長(zhǎng)的饋線阻抗與終端天線阻抗不相等時(shí)，那么傳輸?shù)碾娦盘?hào)就可能被有限長(zhǎng)度的饋線的終端天線反射回來(lái)。當(dāng)饋線長(zhǎng)度改變，或者終端天線阻抗改變，反射信號(hào)的強(qiáng)度也會(huì)隨之改變。

總言之，任意段饋線有一個(gè)唯一的阻抗，當(dāng)該阻抗與終端負(fù)載阻抗相等，或者說(shuō)饋線的終端以該阻抗值作為負(fù)載時(shí)，則饋線上不會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)，在饋線上不產(chǎn)生反射波的終端天線阻抗就等于饋線的特性阻抗，此時(shí)的饋線和終端的天線處于匹配狀態(tài)。反之，則會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)，饋線和終端的天線處于失配狀態(tài)。如果失配程度越深，則反射信號(hào)越強(qiáng)。同理，對(duì)發(fā)射機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)發(fā)射機(jī)輸出端口連接部分失配程度越深，則反射信號(hào)越強(qiáng)，發(fā)射機(jī)被燒壞的危險(xiǎn)性就越大。

3 失配負(fù)載的阻抗計(jì)算

發(fā)射機(jī)輸出負(fù)載失配，無(wú)非就兩種情況發(fā)生，一種情況是大于標(biāo)準(zhǔn)阻抗75歐姆，甚至于無(wú)窮大（開路）；另一種情況是小于標(biāo)準(zhǔn)阻抗75歐姆，甚至于無(wú)窮小（短路）。無(wú)論是大于發(fā)射機(jī)輸出的標(biāo)準(zhǔn)阻抗還是小于發(fā)射機(jī)輸出的標(biāo)準(zhǔn)阻抗，都會(huì)造成對(duì)發(fā)射機(jī)輸出的不匹配，引起反射。即：

上式中ΓL為終端負(fù)載反射系數(shù)；ZL為終端負(fù)載阻抗；Z0為源端（發(fā)射機(jī)輸出端口）阻抗。

也就是說(shuō)，當(dāng)Z0=ZL=75Ω時(shí)，所有的入射功率被終端負(fù)載吸收，這就叫負(fù)載匹配狀態(tài)。即：ΓL=0，終端負(fù)載無(wú)反射。

當(dāng)Z0≠ZL≠75Ω時(shí)，一些入射功率被終端負(fù)載吸收，而一些被反射回源端，這就叫負(fù)載失配狀態(tài)。在失配狀態(tài)，功率傳輸時(shí)同時(shí)有兩種電磁波且沿相反方向傳輸而形成駐波，駐波的最大電壓與最小電壓之比或最大電流與最小電流之比稱之為駐波比（SWR）,SWR通常又稱為電壓駐波比（VSWR）。即：

當(dāng)終端負(fù)載為純電阻時(shí)，VSWR可表示為源端阻抗與負(fù)載阻抗的比值。即：

由式（4）可知，當(dāng)VSWR=1時(shí)，Z0=ZL=75Ω；那么如果VSWR=2.5時(shí)，終端負(fù)載阻抗ZL有兩種情況，一種是時(shí)：

ZL=VSWR·Z0=2.5×75=187.5Ω。

另一種情況是ZL＜Z0時(shí)：

當(dāng)VSWR=3.5時(shí)，若ZL>Z0，那么終端負(fù)載ZL的值為262.5Ω；若ZL＜Z0，那么終端負(fù)載ZL的值為21.4Ω。

由此可知，當(dāng)我們需要VSWR為2.5的失配負(fù)載ZL來(lái)模擬測(cè)試發(fā)射機(jī)輸出的負(fù)載容限時(shí)，那么失配負(fù)載ZL的取值為30Ω或187.5Ω；當(dāng)我們需要VSWR為3.5的失配負(fù)載ZL來(lái)模擬測(cè)試發(fā)射機(jī)輸出的負(fù)載容限時(shí)，那么失配負(fù)載ZL的取值為21.4Ω或262.5Ω。

4 失配負(fù)載的電路構(gòu)成

電壓駐波比為2.5的失配負(fù)載電路見圖3， 圖3中，L為頻帶補(bǔ)償電感；C為頻帶補(bǔ)償電容；調(diào)整L的電感量和C的電容量，可改善所需頻帶內(nèi)的平坦度。L的取值通常為1～50nH；C的取值通常為1～20PF。R為大功率射頻微帶電阻，是失配假負(fù)載的核心器件，該器件的取值大小、精度和耐功率程度直接影響失配負(fù)載的性能指標(biāo)。本例R的取值為187.5Ω±0.5%/100W。

電壓駐波比為3.5的失配負(fù)載電路電路組成形式同圖1，僅R的取值不同。本例R的取值為262.5Ω±0.5%/100W。

圖3

5 實(shí)測(cè)指標(biāo)對(duì)比

本例失配負(fù)載在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上的實(shí)測(cè)指標(biāo)見圖4，從圖4看，1MHz～1000MHz范圍內(nèi)指標(biāo)均滿足2.5要求，且平坦度好。

圖4

外購(gòu)失配負(fù)載在儀器上的實(shí)測(cè)指標(biāo)見圖5，從圖5看，外購(gòu)失配負(fù)載VSWR在1MHz～1000MHz范圍內(nèi)僅為2.3～2.4之間，誤差大、平坦度差。

通過(guò)比較，本例失配負(fù)載在電路設(shè)計(jì)時(shí)采用了電感補(bǔ)償和電容補(bǔ)償，有效提高了頻帶內(nèi)的平坦度和精度，性能指標(biāo)優(yōu)于外購(gòu)失配負(fù)載。另外在耐功率方面，本例設(shè)計(jì)制作的失配負(fù)載能承受100W功率，而手上使用的外購(gòu)失配負(fù)載僅能承受50W功率。

圖5

6 經(jīng)濟(jì)效益

（1）外購(gòu)價(jià)格：外購(gòu)失配負(fù)載價(jià)格昂貴，一般在5～8千元左右；本例設(shè)計(jì)失配負(fù)載成本低廉，僅幾百元錢。

（2）外購(gòu)功能：外購(gòu)失配負(fù)載功能單一，2.5和3.5相互獨(dú)立，采購(gòu)成本高；本例設(shè)計(jì)的雙端口失配負(fù)載2.5和3.5合一體，大大降低了成本，且承受功率能力比外購(gòu)失配負(fù)載高出一倍。該款失配負(fù)載結(jié)構(gòu)獨(dú)特，制作簡(jiǎn)單，使用方便。

（3）直接經(jīng)濟(jì)效益：A、外購(gòu)失配負(fù)載：2.5/6000×3=18000元；3.5/6000×3=18000元；2.5+3.5=18000+18000=36000元。 B、本例設(shè)計(jì)失配負(fù)載：2.5/3.5/300×3=900元，直接節(jié)約了35100元。

（4）無(wú)形經(jīng)濟(jì)效益：根據(jù)測(cè)試要求，電臺(tái)整機(jī)和模塊均需要負(fù)載容限測(cè)試，每年生產(chǎn)任務(wù)繁重，因失配負(fù)載數(shù)量有限嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度。通過(guò)本例設(shè)計(jì)失配負(fù)載經(jīng)計(jì)量標(biāo)校合格投入使用，在數(shù)量上和測(cè)試上完全滿足了生產(chǎn)，有力推進(jìn)提前了生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)度。

7 結(jié)論

本文從發(fā)射機(jī)輸出負(fù)載失配的機(jī)理分析、失配假負(fù)載的阻抗計(jì)算、電路的設(shè)計(jì)、電路元器件取值、參數(shù)調(diào)試等，都作了較為詳盡的闡述，并將電路組成原理圖畫出，目的是為了增強(qiáng)對(duì)讀者的可制作性和實(shí)用性。該失配負(fù)載通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際應(yīng)用，是一款指標(biāo)優(yōu)良的好產(chǎn)品，值得推廣應(yīng)用。