史密斯圆图在导航设备天线安装调试的运用

黄钜江

摘 要：澳大利亚INDRA公司（原为AWA公司）生产的VRB-52D多普勒全向信标在我国许多机场、导航台广泛使用，该设备天线、馈线系统需在安装现场进行较为繁琐安装调试，本文通过史密斯圆图，直观地理解该设备天馈系统的技术原理，为安装调试工作提供理论指导。

关键词：史密斯圆图 全向信标 天馈系统 安装调试

中图分类号：TN820 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（c）-0040-03

澳大利亚INDRA公司（原为AWA公司）生产的VRB-52D多普勒全向信标，由于设备性能良好，工作稳定，至今在我国许多机场、导航台广泛使用。由于该设备天馈系统需在安装现场进行安装、调整，安装调试工作比其他型号的同类设备显得较为繁琐。本文想通过史密斯圆图，直观地理解该设备天馈系统的技术原理，为安装调试工作提供理论指导。

1 史密斯圆图

史密斯圆图是P.H.Smith于1939年发明的，它使计算阻抗、反射系数、驻波比等参量变得简便，广泛应用于射频、微波电路阻抗分析、匹配网络设计等方面。

2 VRB-52D多普勒全向信标的天馈系统介绍

VRB-52D多普勒全向信标的天线系统由一个中心天线（发射载波信号）和48个均匀分布在半径为6.75 m圆周上的边带天线（发射边带信号）组成，通过边带转换单元（SCU）进行上下边带的切换，通过天线分配开关（ADS）将SCU切换输出的上、下边带信号按一定时序依次给分成四组的48个边带天线馈电。天馈系统如图1所示。

3 天馈系统的安装调整

以下通过几个本设备天馈系统的安装调整的步骤，阐述史密斯圆图的运用。

（1）由于边带天线发射的上、下边带信号需在空中与中心天线发射的载波信号合成，产生副载波信号，为了保证所产生的副载波信号保持稳定的调制度，必须使信号源到每个边带天线的相位一致，要求边带电缆的电气长度一致。

（2）边带天线电缆长度的确定。为了减少辐射的天线与相邻不辐射天线之间的相互影响，要求在不辐射的天线两端等效连接一个接近17 Ω的纯阻性阻抗，这通过调整边带馈线的长度来实现阻抗变换。利用史密斯圆图分析如下：天线分配开关ADS的24个输出端口，在不馈电时，可使用矢量电压表或网络分析仪测量其反射系数Γ，约为0.6∠-44°，史密斯圆图上的入图点为a，可根据a点所在的等电阻圆和等电抗圆得出对应端口的归一化阻抗。在忽略电缆衰减的情况下，该端口连接的边带电缆上每一点的归一化输入阻抗都落在ρ=0.6的等ρ圆上。随着与该端口连接的边带电缆往天线端移动长度l1长度后，该点的归一化输入阻抗对应于a点沿等ρ圆顺时针（圆图上指示向信号源）方向移动达到的b点，b点在=0.25的等电阻圆与u轴的交点上，b点的归一化阻抗为0.25，由于边带电缆特征阻抗=50 Ω，可得b点实际输入阻抗为12.5 Ω。在忽略电缆衰减的情况下，边带电缆每增加N的长度，其阻抗均为12.5 Ω，如图2所示。

如考虑边带电缆衰减，接天线端的ρ<0.6，最终的b点将往圆心移动，b点所落在的等电阻圆的将增大，在天线端的实际输入阻抗将大于12.5 Ω。该实际数值约为17 Ω的纯阻性阻抗。

在实际安装时，通过分次剪短边带电缆的方法，由于边带电缆是逐次变短的，在圆图上代表的点是在等ρ圆上沿逆时针方向移动，反射系数的角度逐次增大，最后矢量电压表在边带电缆连接天线的一端所测量反射系数的角度读数为±180°，这时就到达b点。由图2可见，馈线长度每变化，反射系数的角度θ均为±180°，根据边带电缆的传输速比Vr，可以计算反射系数的角度每变化1°对应剪短的电缆长度为：

（3）在完成边带电缆制作后，要进行边带天线的调整，使边带天线的辐射相位一致。随后进行天线阻抗的测量，以反射系数ρ∠θ来表示，天线阻抗取48个边带天线的平均值，这个阻抗值主要反映天线的特性，由于每套设备安装过程中电缆长度相差不大，电缆总衰减值相差不大，所以ρ主要与工作频率有关，馈线长度仅影响θ，以最近安装的洛阳DVOR设备为例，为0.465∠-142°，本设备的安装说明书是通过制作短截线匹配器，把上述阻抗变换为50 Ω，如图3所示。

（4）短截线匹配制作。

在实际安装过程中，馈线l1与l2以及l1与之间是由射频连接头连接的，在计算馈线长度时应减去射频连接头的电气长度。我们根据安装现场情况选择上述两组馈线长度的其中一组制作短截线匹配器。

本设备技术手册要求边带天线的匹配效果是反射系数不大于0.1，载波天线的要求较高，不大于0.02。

在实际安装过程中，短截线l2电缆的调整是相对方便的，在l2电缆可使用大头针等戳穿电缆，使同轴电缆屏蔽层与芯线短路，从而调整短路点，并观察此时反射系数的ρ值的变化。

l1电缆的调整相对困难，只能通过计算公式或圆图作图得出计算值后，制作一根比计算值稍长10毫米左右的电缆，在l2电缆调整短路点使反射系数的ρ值最小的情况下，利用l1电缆射频连接头的松紧，观察ρ值的变化趋势，确定l1电缆长度的需要增长或减短。

为了解决l1电缆长度较难确定的问题，理论上可采用双短截线匹配法，通过调整两条短截线的长度实现匹配，但在实际使用中，双短截线匹配法使用两条短截线，增加了电缆连接点，故障及不稳定的概率也相应增加了，在本套设备的厂家没有采用，可能也是基于这个原因。

在有条件的情况下可利用一种特征阻抗为50 Ω的移相器，调整好，制作一根与它等电气长度的l1电缆。

4 结语

史密斯圆图是传输线理论的图形表现，VRB-52D多普勒全向信标的天馈系统的设计思想和安装调试要求都是基于传输线、阻抗变换、匹配的理论，所以认真掌握史密斯圆图，对进一步理解该天馈系统并指导该设备的安装调试，具有重大意义，本文只对其中某一两个方面，阐述自己在安装调试过程的肤浅体会。

参考文献

[1] 李绪益.微波技术与微波电路[M].华南理工大学出版社，2007.

[2] 吕芳.微波技术[M].东南大学出版社，2009.

[3] 澳大利亚INDRA公司，VRB-52D多普勒全向信标机技术手册[z].endprint

摘 要：澳大利亚INDRA公司（原为AWA公司）生产的VRB-52D多普勒全向信标在我国许多机场、导航台广泛使用，该设备天线、馈线系统需在安装现场进行较为繁琐安装调试，本文通过史密斯圆图，直观地理解该设备天馈系统的技术原理，为安装调试工作提供理论指导。

关键词：史密斯圆图 全向信标 天馈系统 安装调试

中图分类号：TN820 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（c）-0040-03

澳大利亚INDRA公司（原为AWA公司）生产的VRB-52D多普勒全向信标，由于设备性能良好，工作稳定，至今在我国许多机场、导航台广泛使用。由于该设备天馈系统需在安装现场进行安装、调整，安装调试工作比其他型号的同类设备显得较为繁琐。本文想通过史密斯圆图，直观地理解该设备天馈系统的技术原理，为安装调试工作提供理论指导。

1 史密斯圆图

史密斯圆图是P.H.Smith于1939年发明的，它使计算阻抗、反射系数、驻波比等参量变得简便，广泛应用于射频、微波电路阻抗分析、匹配网络设计等方面。

2 VRB-52D多普勒全向信标的天馈系统介绍

VRB-52D多普勒全向信标的天线系统由一个中心天线（发射载波信号）和48个均匀分布在半径为6.75 m圆周上的边带天线（发射边带信号）组成，通过边带转换单元（SCU）进行上下边带的切换，通过天线分配开关（ADS）将SCU切换输出的上、下边带信号按一定时序依次给分成四组的48个边带天线馈电。天馈系统如图1所示。

3 天馈系统的安装调整

以下通过几个本设备天馈系统的安装调整的步骤，阐述史密斯圆图的运用。

（1）由于边带天线发射的上、下边带信号需在空中与中心天线发射的载波信号合成，产生副载波信号，为了保证所产生的副载波信号保持稳定的调制度，必须使信号源到每个边带天线的相位一致，要求边带电缆的电气长度一致。

（2）边带天线电缆长度的确定。为了减少辐射的天线与相邻不辐射天线之间的相互影响，要求在不辐射的天线两端等效连接一个接近17 Ω的纯阻性阻抗，这通过调整边带馈线的长度来实现阻抗变换。利用史密斯圆图分析如下：天线分配开关ADS的24个输出端口，在不馈电时，可使用矢量电压表或网络分析仪测量其反射系数Γ，约为0.6∠-44°，史密斯圆图上的入图点为a，可根据a点所在的等电阻圆和等电抗圆得出对应端口的归一化阻抗。在忽略电缆衰减的情况下，该端口连接的边带电缆上每一点的归一化输入阻抗都落在ρ=0.6的等ρ圆上。随着与该端口连接的边带电缆往天线端移动长度l1长度后，该点的归一化输入阻抗对应于a点沿等ρ圆顺时针（圆图上指示向信号源）方向移动达到的b点，b点在=0.25的等电阻圆与u轴的交点上，b点的归一化阻抗为0.25，由于边带电缆特征阻抗=50 Ω，可得b点实际输入阻抗为12.5 Ω。在忽略电缆衰减的情况下，边带电缆每增加N的长度，其阻抗均为12.5 Ω，如图2所示。

如考虑边带电缆衰减，接天线端的ρ<0.6，最终的b点将往圆心移动，b点所落在的等电阻圆的将增大，在天线端的实际输入阻抗将大于12.5 Ω。该实际数值约为17 Ω的纯阻性阻抗。

在实际安装时，通过分次剪短边带电缆的方法，由于边带电缆是逐次变短的，在圆图上代表的点是在等ρ圆上沿逆时针方向移动，反射系数的角度逐次增大，最后矢量电压表在边带电缆连接天线的一端所测量反射系数的角度读数为±180°，这时就到达b点。由图2可见，馈线长度每变化，反射系数的角度θ均为±180°，根据边带电缆的传输速比Vr，可以计算反射系数的角度每变化1°对应剪短的电缆长度为：

（3）在完成边带电缆制作后，要进行边带天线的调整，使边带天线的辐射相位一致。随后进行天线阻抗的测量，以反射系数ρ∠θ来表示，天线阻抗取48个边带天线的平均值，这个阻抗值主要反映天线的特性，由于每套设备安装过程中电缆长度相差不大，电缆总衰减值相差不大，所以ρ主要与工作频率有关，馈线长度仅影响θ，以最近安装的洛阳DVOR设备为例，为0.465∠-142°，本设备的安装说明书是通过制作短截线匹配器，把上述阻抗变换为50 Ω，如图3所示。

（4）短截线匹配制作。

在实际安装过程中，馈线l1与l2以及l1与之间是由射频连接头连接的，在计算馈线长度时应减去射频连接头的电气长度。我们根据安装现场情况选择上述两组馈线长度的其中一组制作短截线匹配器。

本设备技术手册要求边带天线的匹配效果是反射系数不大于0.1，载波天线的要求较高，不大于0.02。

在实际安装过程中，短截线l2电缆的调整是相对方便的，在l2电缆可使用大头针等戳穿电缆，使同轴电缆屏蔽层与芯线短路，从而调整短路点，并观察此时反射系数的ρ值的变化。

l1电缆的调整相对困难，只能通过计算公式或圆图作图得出计算值后，制作一根比计算值稍长10毫米左右的电缆，在l2电缆调整短路点使反射系数的ρ值最小的情况下，利用l1电缆射频连接头的松紧，观察ρ值的变化趋势，确定l1电缆长度的需要增长或减短。

为了解决l1电缆长度较难确定的问题，理论上可采用双短截线匹配法，通过调整两条短截线的长度实现匹配，但在实际使用中，双短截线匹配法使用两条短截线，增加了电缆连接点，故障及不稳定的概率也相应增加了，在本套设备的厂家没有采用，可能也是基于这个原因。

在有条件的情况下可利用一种特征阻抗为50 Ω的移相器，调整好，制作一根与它等电气长度的l1电缆。

4 结语

史密斯圆图是传输线理论的图形表现，VRB-52D多普勒全向信标的天馈系统的设计思想和安装调试要求都是基于传输线、阻抗变换、匹配的理论，所以认真掌握史密斯圆图，对进一步理解该天馈系统并指导该设备的安装调试，具有重大意义，本文只对其中某一两个方面，阐述自己在安装调试过程的肤浅体会。

参考文献

[1] 李绪益.微波技术与微波电路[M].华南理工大学出版社，2007.

[2] 吕芳.微波技术[M].东南大学出版社，2009.

[3] 澳大利亚INDRA公司，VRB-52D多普勒全向信标机技术手册[z].endprint

摘 要：澳大利亚INDRA公司（原为AWA公司）生产的VRB-52D多普勒全向信标在我国许多机场、导航台广泛使用，该设备天线、馈线系统需在安装现场进行较为繁琐安装调试，本文通过史密斯圆图，直观地理解该设备天馈系统的技术原理，为安装调试工作提供理论指导。

关键词：史密斯圆图 全向信标 天馈系统 安装调试

中图分类号：TN820 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（c）-0040-03

澳大利亚INDRA公司（原为AWA公司）生产的VRB-52D多普勒全向信标，由于设备性能良好，工作稳定，至今在我国许多机场、导航台广泛使用。由于该设备天馈系统需在安装现场进行安装、调整，安装调试工作比其他型号的同类设备显得较为繁琐。本文想通过史密斯圆图，直观地理解该设备天馈系统的技术原理，为安装调试工作提供理论指导。

1 史密斯圆图

史密斯圆图是P.H.Smith于1939年发明的，它使计算阻抗、反射系数、驻波比等参量变得简便，广泛应用于射频、微波电路阻抗分析、匹配网络设计等方面。

2 VRB-52D多普勒全向信标的天馈系统介绍

VRB-52D多普勒全向信标的天线系统由一个中心天线（发射载波信号）和48个均匀分布在半径为6.75 m圆周上的边带天线（发射边带信号）组成，通过边带转换单元（SCU）进行上下边带的切换，通过天线分配开关（ADS）将SCU切换输出的上、下边带信号按一定时序依次给分成四组的48个边带天线馈电。天馈系统如图1所示。

3 天馈系统的安装调整

以下通过几个本设备天馈系统的安装调整的步骤，阐述史密斯圆图的运用。

（1）由于边带天线发射的上、下边带信号需在空中与中心天线发射的载波信号合成，产生副载波信号，为了保证所产生的副载波信号保持稳定的调制度，必须使信号源到每个边带天线的相位一致，要求边带电缆的电气长度一致。

（2）边带天线电缆长度的确定。为了减少辐射的天线与相邻不辐射天线之间的相互影响，要求在不辐射的天线两端等效连接一个接近17 Ω的纯阻性阻抗，这通过调整边带馈线的长度来实现阻抗变换。利用史密斯圆图分析如下：天线分配开关ADS的24个输出端口，在不馈电时，可使用矢量电压表或网络分析仪测量其反射系数Γ，约为0.6∠-44°，史密斯圆图上的入图点为a，可根据a点所在的等电阻圆和等电抗圆得出对应端口的归一化阻抗。在忽略电缆衰减的情况下，该端口连接的边带电缆上每一点的归一化输入阻抗都落在ρ=0.6的等ρ圆上。随着与该端口连接的边带电缆往天线端移动长度l1长度后，该点的归一化输入阻抗对应于a点沿等ρ圆顺时针（圆图上指示向信号源）方向移动达到的b点，b点在=0.25的等电阻圆与u轴的交点上，b点的归一化阻抗为0.25，由于边带电缆特征阻抗=50 Ω，可得b点实际输入阻抗为12.5 Ω。在忽略电缆衰减的情况下，边带电缆每增加N的长度，其阻抗均为12.5 Ω，如图2所示。

如考虑边带电缆衰减，接天线端的ρ<0.6，最终的b点将往圆心移动，b点所落在的等电阻圆的将增大，在天线端的实际输入阻抗将大于12.5 Ω。该实际数值约为17 Ω的纯阻性阻抗。

在实际安装时，通过分次剪短边带电缆的方法，由于边带电缆是逐次变短的，在圆图上代表的点是在等ρ圆上沿逆时针方向移动，反射系数的角度逐次增大，最后矢量电压表在边带电缆连接天线的一端所测量反射系数的角度读数为±180°，这时就到达b点。由图2可见，馈线长度每变化，反射系数的角度θ均为±180°，根据边带电缆的传输速比Vr，可以计算反射系数的角度每变化1°对应剪短的电缆长度为：

（3）在完成边带电缆制作后，要进行边带天线的调整，使边带天线的辐射相位一致。随后进行天线阻抗的测量，以反射系数ρ∠θ来表示，天线阻抗取48个边带天线的平均值，这个阻抗值主要反映天线的特性，由于每套设备安装过程中电缆长度相差不大，电缆总衰减值相差不大，所以ρ主要与工作频率有关，馈线长度仅影响θ，以最近安装的洛阳DVOR设备为例，为0.465∠-142°，本设备的安装说明书是通过制作短截线匹配器，把上述阻抗变换为50 Ω，如图3所示。

（4）短截线匹配制作。

在实际安装过程中，馈线l1与l2以及l1与之间是由射频连接头连接的，在计算馈线长度时应减去射频连接头的电气长度。我们根据安装现场情况选择上述两组馈线长度的其中一组制作短截线匹配器。

本设备技术手册要求边带天线的匹配效果是反射系数不大于0.1，载波天线的要求较高，不大于0.02。

在实际安装过程中，短截线l2电缆的调整是相对方便的，在l2电缆可使用大头针等戳穿电缆，使同轴电缆屏蔽层与芯线短路，从而调整短路点，并观察此时反射系数的ρ值的变化。

l1电缆的调整相对困难，只能通过计算公式或圆图作图得出计算值后，制作一根比计算值稍长10毫米左右的电缆，在l2电缆调整短路点使反射系数的ρ值最小的情况下，利用l1电缆射频连接头的松紧，观察ρ值的变化趋势，确定l1电缆长度的需要增长或减短。

为了解决l1电缆长度较难确定的问题，理论上可采用双短截线匹配法，通过调整两条短截线的长度实现匹配，但在实际使用中，双短截线匹配法使用两条短截线，增加了电缆连接点，故障及不稳定的概率也相应增加了，在本套设备的厂家没有采用，可能也是基于这个原因。

在有条件的情况下可利用一种特征阻抗为50 Ω的移相器，调整好，制作一根与它等电气长度的l1电缆。

4 结语

史密斯圆图是传输线理论的图形表现，VRB-52D多普勒全向信标的天馈系统的设计思想和安装调试要求都是基于传输线、阻抗变换、匹配的理论，所以认真掌握史密斯圆图，对进一步理解该天馈系统并指导该设备的安装调试，具有重大意义，本文只对其中某一两个方面，阐述自己在安装调试过程的肤浅体会。

参考文献

[1] 李绪益.微波技术与微波电路[M].华南理工大学出版社，2007.

[2] 吕芳.微波技术[M].东南大学出版社，2009.

[3] 澳大利亚INDRA公司，VRB-52D多普勒全向信标机技术手册[z].endprint