车载天线阻抗匹配优化方案

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2024-04-26 16:05:00 786

将车载天线阻抗匹配至标准的50欧姆是出于多个必要因素的考量。举例来说，现代固态无线电在输入SWR达到2:1时会相应减少其输出功率。尽管不同的无线电对此的处理能力有所不同，但一旦实现阻抗匹配，SWR也无需保持完全平坦，因此任何低于1.6:1的数值都足以接近最佳状态。值得注意的是，如果天线在谐振时的输入阻抗不匹配导致SWR超过1.6:1，那么可能需要更优质的天线或改进安装方案。

安装在拖拉机上的车载天线。

安装在皮卡车上的车载天线

在继续之前，有一点非常重要。如果您使用的是遥控HF车载天线，如Scorpion天线（蝎尾鞭天线），电机引线（和舌簧开关引线，如果使用的话），同轴馈电必须正确扼流。如果不是，就会有非常麻烦，这不是开玩笑！如果您不明白为什么扼流圈如此重要，请阅读号内相关文章。

此外，不适当的电机引线扼流也会影响天线的输入阻抗。因此，在尝试调整任何匹配方法之前，应在天线处断开电机引线。一旦匹配，如果重新连接电机引线改变了匹配点或SWR(无论变化多么小！)，则表明电机引线的扼流圈阻抗过低。

天线制造商经常告诉他们的客户将同轴电缆馈线切割到特定的长度，以获得良好的匹配。所有这些都是通过将SWR节点沿馈线线移动到不同的位置来掩盖问题。虽然这似乎可以解决这个问题，但它并不能骗过大多数自动控制器。事实是，如果天线正确匹配，馈线的长或短并没有任何区别。

一旦匹配完成（X=?），无论SWR是什么（假设它低于1.6:1）都是无关紧要的。然而，应该指出的是，在同轴馈线的收发器端测量SWR通常会导致更多的整体损耗，并且可能使匹配几乎不可能实现。原因是天线表现出的任何电抗（±jΩ）都将被同轴电缆转换。虽然在收发器端SWR可能很低，但在天线端SWR可能过高，导致额外的同轴电缆损耗，并可能增加IMD（互调干扰）。

应该注意的是，当SWR大于1.8:1时，固态收发器可能会产生过多的IMD电平（FCC规定的IMD电平），这也是正确匹配天线阻抗的另一个原因。虽然大多数车载操作者似乎并不关心IMD，其实他们应该关注！尤其是在使用可放大IMD和其他所有东西的放大器时。换句话说，垃圾进来，垃圾出去！

阻抗匹配方法

关于天线阻抗匹配的文章已经有很多。无论选择何种方法来实现阻抗匹配，只要天线振子直流接地即可！这可以使用并联线圈（优选方法）、UNUN或短截线匹配来实现，这些内容都将在下面介绍。直流接地很重要，有如下几个原因：

首先，直流接地有助于控制来自天线的静电放电，从而减少我们都在忍受的一些哈希噪声。其次是安全问题，如果天线与带电的架空电源线接触，直流接地将有助于防止对您的设备以及您带来的伤害。另一个原因是雷击安全，因为直流接地元件降低了发生雷击时设备损坏的可能性。

一些业余爱好者认为，直流接地天线不能工作，但事实并非如此。因为我们将天线元件DC接地，并不意味着它也是RF接地的！他们还认为将天线的安装结构（支架）接地能确保低SWR或替代适当的接地平面，这些说法都是不正确的。

不幸的是，很多爱好者过度强调实现低SWR。大多数业余爱好者用来检查（或设置）他们的SWR的方法是不正确的，使事情更是雪上加霜，请继续往下看。

电抗与SWR

在谐振时，质量良好、安装正确的高频移动天线的输入阻抗约为25欧姆。根据定义，谐振点是电抗分量等于零的地方（即X=?，或者+?j）。由于馈线的特性阻抗为50欧姆，因此SWR为2:1。但是，如果将天线调整到低于真实谐振点的频率，则可能指示的SWR将降低，比如为1.5:1。因此，在调整天线匹配线圈或设备时，应使用带有电抗读数的天线分析仪。

同样，调整匹配器件时，应寻找最低电抗（X=?），而不是最低SWR。一旦匹配设备被正确调整，收发信机（或外部SWR计）上的最小SWR点将非常接近天线的实际谐振点。

为了确保这一点尽可能清楚......对于低于50欧姆的车载天线的输入阻抗，当您将天线调整到低于真实谐振点的频率时，电阻成分将比电抗成分增加得更快，从而导致显示的SWR降低！如下图所示。

您可以这样证明这一点。通过将天线分析仪调整到最低电抗来（X=?，或尽可能接近它），并观察SWR，然后，调整分析仪的频率，直到SWR最低，并记录电抗。它将如下方显示的图表（电抗以红色显示，SWR以蓝色显示）。

下面两张照片描绘了一个40米的谐振天线在适当匹配前（上）后（下）的驻波比情况后。请注意，下图显示了几个欧姆的电抗。这是由于仪表的误差（±5%）导致。记下259B上显示的频率。这显示了您在调整天线匹配线圈或设备的过程中会看到什么。之所以放这两张图，是因为（如上所述）调整远程调谐高频天线的匹配线圈是移动场景中天线分析仪的主要用途。

天线分析仪上的电抗读数可能由附近的广播发射机影响。将MFJ-259B连接到天线后，按下模式开关，直到频率计数器显示。如果SWR仪明显偏转，可能有BCI（广播干扰）的影响。MFJ为259B配置一个为了消除该问题的可选BCI过滤器单元。

电感匹配

如果您计划使用远程调谐天线和自动天线控制器，那么如果您想要全自动操作，电感匹配是您唯一的选择。

电感匹配通过从天线借用少量容抗来工作（通过将天线调整为略高于实际发射频率）的。这个借用电容和并联匹配线圈的电感形成一个高通LC网络，它将天线的低阻抗（通常为25欧姆左右）转换为50欧姆馈线的阻抗。正确安装和调整后，并联匹配将在几个倍频程上提供较好的匹配（<1.6:1）。如果将匹配线圈包裹，即使是塑料，也会影响线圈的频率-电抗特性，将明显地减少其带宽。

此外，线圈必须尽可能清除周围的金属。例如，出厂提供的并联线圈通常安装在天线的安装支架上。为获得最佳效果，应重新定位这些线圈。应该避免使用围绕桅杆的商用线圈单元，或者那些使线圈部分短路以实现匹配的线圈单元，因为这会降低线圈的有效Q，从而增加整体损耗。显然，空心的并联匹配线圈能提供最佳匹配，和任何其他匹配方法相比损失最小。

上图是MFJ-908 L火柴装置的照片。制作一个比购买一个不会节省任何钱，但如果您去自制，可能会了解它们的工作原理关于制作可以参阅ARRL天线手册。

但是，您通常不需要像上述MFJ单元那样的波段开关电感，除非您在160米波段操作（参见下面的Odds&Ends）。相反，一个简单的电感器，如下图所示就足够了。一端连接到天线馈源，另一端接地。线圈的接地端应与同轴电缆屏蔽接地在同一位置。

上图的线圈有9圈，线圈内径为1英寸，用#14 Thermoese?（漆包）线缠绕。线圈的形状系数应保持接近1:1（长度与直径）。长而细的线圈并不那么好用。您也可以使用建筑用导线，但使用起来有点困难。在实际使用中，匝距稍远一点，以便调整电感。线圈需要约为1 uH，但在实际中，该值可能在0.5 uH和1.5 uH，取决于谐振时的实际输入阻抗。

如果要实现并联匹配线圈的适当调整，必须遵循一个特定的程序，详见后续文章。

最后，螺丝刀天线的几个商用版本具有固定值的加工好的匹配线圈，因此不能在天线的整个谐振频率范围内提供理想的匹配。虽然这些天线可以修改为使用可调线圈，但最好首先避免购买这类天线。

UNUN匹配

您也可以使用UNUN（不平衡到不平衡）RF变压器，如下图所示的MFJ-907单元。与上面的LC网络一样，它提供直流接地和必要的阻抗匹配。如果您使用的是不同长度的单频段，则UNUN是首选的匹配方法。但是，如果您使用遥控天线，则必须在频段之间更换抽头。在大多数情况下，您可以使用一个开关用于80和40米波段，另一个用于20和17米波段，在12和10米波段直通。如果您不喜欢更换抽头的想法，那么可以制作上面讲的电感器。

如果你想建立自己的UNUN，示意图在上边。用一个F114-67铁氧体磁芯，几英尺的#14漆铜线（9匝足够，双线圈），一个小盒子来安装它，就OK了。我更喜欢用3M#27玻璃胶带覆盖核心，因为它使缠绕更容易，但这不是必需的。

电容匹配

电容匹配有一个主要缺点——天线不是直流接地!其次，随着频率的增加电抗减小，这意味着您必须为每个频带（有时在一个频带内）使用不同值的电容器。显然，如果你使用的是自动天线控制器，这是一个严重的缺点!如果你使用电容匹配，你应该认真考虑用电感匹配代替它。

Stub匹配

上述任何匹配方案都可以用于匹配单频天线。但是，还有另一种方法不仅可以进行共轭匹配，而且还可以扩展带宽！接入短路的1/4波短截线！这种匹配的缺点是它本质上是单频。虽然在某些情况下可以级联（并行联）短截线，但机械方面会让人头疼。如果没有别的要求，它比使用内部或外部自动耦合器简单得多，结果大致相同。

根据许多不明显的因素，该技术可以将带宽扩展2或3倍。原因是1/4波短截线的电抗曲线与频率的关系与天线的电抗曲线相反。如果您想了解更多关于它们是如何工作的，ARRL手册的第11章是您的最佳选择。

赔率和结束

天线的频率覆盖范围扩展到160米，可能需要一个MFJ-908 L或类似的开关电感。原因是，160米负载线圈电感大约是80米负载线圈电感的5倍。在其他条件相同的情况下，线圈损耗将增加一倍以上，因此输入阻抗将接近50欧姆（无需匹配）。这里也有一个隐藏的因素，160至10米的遥控天线在任何频率下都比80至10米的天线具有更多的线圈损耗。潜在买家应该意识到这一点。

作为替代方案，您可以制作自己的开关并联电感器。上图中的图片来自Myron Schaffer,WV?H。线圈与上述线圈类似。该开关使底部4匝短路，使电感从2 uH降低到0.7 uH。这种方法成本更低，并且与购买的方法一样有效，尽管需要一些调整才能获得正确的电感。

可以使用内部或外部自动耦合器来匹配移动天线的输入阻抗为50欧姆。而且，它们可用于扩展单频天线的带宽。然而，使用带有远程调谐天线的天线会出现一些操作问题。如果你使用，请记住以下内容：

在开启自动耦合器之前，务必将有问题的天线调整至谐振状态（即确保最低SWR接近最佳值）。这一步骤对于拥有更广泛匹配范围的外部耦合器而言尤为重要。在特定情况下，如果天线未能调谐至接近工作频率的状态，RF电压可能会升高至足以在大多数基本绝缘体或线圈匝上产生电弧的程度，因此必须谨慎操作。

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