天線[無線電設備]

天線[無線電設備]

天線是一種變換器,它把傳輸線上傳播的導行波,變換成在無界媒介(通常是自由空間)中傳播的電磁波,或者進行相反的變換。在無線電設備中用來發射或接收電磁波的部件。無線電通信、廣播、電視、雷達、導航、電子對抗、遙感、射電天文等工程系統,凡是利用電磁波來傳遞信息的,都依靠天線來進行工作。此外,在用電磁波傳送能量方面,非信號的能量輻射也需要天線。一般天線都具有可逆性,即同一副天線既可用作發射天線,也可用作接收天線。同一天線作為發射或接收的基本特性參數是相同的。這就是天線的互易定理。

基本信息

發明歷程

天線是由俄國科學家波波夫發明的。

1888年,29歲的波波夫得知德國著名物理學家赫茲發現電磁波的訊息後,這位曾經立志推廣電燈的年輕科學家對朋友們說:“我用畢生的精力去安裝電燈,對於廣闊的俄羅斯來說,只不過照亮了很小的一角:假如我能指揮磁波,那就可以飛越整個世界!”

於是,他埋頭研究,向新的目標發起了衝擊。

1894年,波波夫製成了一台無線電接收機。這台接收機的核心部分用的是改進了的金屬屑檢波器,波波夫採用電鈴作終端顯示,電鈴的小錘可以把檢波器里的金屬屑震松。電鈴用一個電磁繼電器帶動,當金屬屑檢波器檢測到電磁波時,繼電器接通電源,電鈴就響起來。

有一次,波波夫在實驗中發現,接收機檢測電波的距離突然比往常增大了許多。

“這是怎么回事呢?”波波夫查來查去,一直找不出原因。

一天,波波夫無意之中發現一根導線搭在金屬屑檢波器上。他把導線拿開,電鈴便不響了;他把實驗距離縮小到原來那么近,電鈴又響了起來。

波波夫喜出望外,連忙把導線接到金屬屑檢波器的一頭,並把檢波器的另一頭接上。經過再次試驗,結果表明使用天線後,信號傳遞距離劇增。

無線電天線由此而問世。

天線的定義

我們知道,通信、雷達、導航、廣播、電視等無線電設備,都是通過無線電波來傳遞信息的,都需要有無線電波的輻射和接收。在無線電設備中,用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。天線為發射機或接收機與傳播無線電波的媒質之間提供所需要的耦合。天線和發射機、接收機一樣,也是無線電設備的一個重要組成部分。

天線的功用

天線輻射的是無線電波,接收的也是無線電波,然而發射機通過饋線送入天線的並不是無線電波,接收天線也不能把無線電波直接經饋線送入接收機,其中必須經過能量轉換過程。下面我們以無線電通信設備為例分析一下信號的傳輸過程,進而說明天線的能量轉換作用。

天線[無線電設備] 天線[無線電設備]

圖1天線能量轉換原理示意圖

在發射端,發射機產生的已調製的高頻振盪電流(能量)經饋電設備輸入發射天線(饋電設備可隨頻率和形式不同,直接傳輸電流波或電磁波),發射天線將高頻電流或導波(能量)轉變為無線電波—自由電磁波(能量)向周圍空間輻射(見圖1);在接收端,無線電波(能量)通過接收天線轉變成高頻電流或導波(能量)經饋電設備傳送到接收機。從上述過程可以看出,天線不但是輻射和接收無線電波的裝置,同時也是一個能量轉換器,是電路與空間的界面器件。

工作原理

當導體上通以高頻電流時,在其周圍空間會產生電場 與磁場。按電磁場在空間的分布特性,可分為近區,中間區, 遠區。設R為空間一點距導體的距離,在時的區域稱近區,在該區內的電磁場與導體中電流,電壓有緊密的聯繫。

在 的區域稱為遠區,在該區域內電磁場能離開導體向空間傳播,它的變化相對於導體上的電流電壓就要滯後一段時間,此時傳播出去的電磁波已不與導線上的電流、電壓有直接的聯繫了,這區域的電磁場稱為 輻射場

必須指出,當導線的長度 L 遠小于波長 λ 時,輻射很微弱;導線的長度 L增大到可與波長相比擬 ,導線上的電流將大大增加,因而就能形成較強的輻射。

天線 天線

圖2 天線

發射天線正是利用輻射場的這種性質,使傳送的信號經過發射天線後能夠充分地向空間輻射。如何使導體成為一個有效輻射體導系統呢?這裡我們先分析一下傳輸線上的情況,在平行雙線的傳輸線上為了使只有能量的傳輸而沒有輻射,必須保證兩線結構對稱,線上對應點電流大小和方向相反,且兩線間的距離《π。要使電磁場能有效地輻射出去,就必須破壞傳輸線的這種對稱性,如採用把二導體成一定的角度分開,或是將其中一邊去掉等方法,都能使導體對稱性破壞而產生輻射。

如圖TX,圖中將開路傳輸或距離終端π/4處的導體成直狀分開,此時終端導體上的電流已不是反相而是同相了,從而使該段導體在空間點的輻射場同相迭加,構成一個有效的輻射系統。這就是最簡單,最基本的單元天線,稱為半波對稱振子天線,其特性阻抗為75Ω。電磁波從發射天線輻射出來以後,向四面傳播出去,若電磁波傳播的方向上放一對稱振子,則在電磁波的作用下,天線振子上就會產生感應電動勢。如此時天線與接收設備相連,則在接收設備輸入端就會產生高頻電流。這樣天線就起著接收作用並將電磁波轉化為高頻電流,也就是說此時天線起著接收天線的作用,接收效果的好壞除了電波的強弱外還取決於天線的方向性和半邊對稱振子與接收設備的匹配。

分類

1、按 工作性質可分為發射天線和接收天線。

2、按 用途可分為通信天線、廣播天線、電視天線、雷達天線等。

3、按方向性可分為全向天線和定向天線等。

4、按 工作波長可分為超長波天線、長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等。

微波天線 微波天線

圖3 微波天線

5、按 結構形式和工作原理可分為線天線和面天線等。描述天線的特性參量有方向圖、方向性係數、增益、輸入阻抗、輻射效率、極化和頻寬。

6、按 維數來分可以分成兩種類型:一維天線和二維天線

一維天線:由許多電線組成,這些電線或者像手機上用到的直線,或者是一些靈巧的形狀,就像出現電纜之前在電視機上使用的老兔子耳朵。單極和雙極天線是兩種最基本的一維天線。

二維天線:變化多樣,有片狀(一塊正方形金屬)、陣列狀(組織好的二維模式的一束片)、喇叭狀、碟狀。

7、天線根據 使用場合的不同可以分為:手持台天線、車載天線、基地天線三大類。

手持台天線:就是個人使用手持對講機的天線,常見的有橡膠天線和拉桿天線兩大類。

外觀圖片 外觀圖片

車載天線:是指原設計安裝在車輛上通訊天線,最常見套用最普遍的是吸 盤天線。車載天線結構上也有縮短型、四分之一波長、中部加感型、八分之五波長、雙二分之一波長等形式的天線。

基地台天線:在整個通訊系統中具有非常關鍵的作用,尤其是作為通訊樞紐的通信台站。常用的基地台天線有玻璃鋼高增益天線、四環陣天線(八環陣天線)、定向天線。

天線測量的典型配置

大多數普通天線的測量是測定其遠場的輻射特性,如方向圖(幅度、相位、極化)、旁瓣電平、增益、頻頻寬度等。本節將定義這些測量的基本概念。

圖4為測量輻射特性的典型配置。基本步驟是將一副發射或接收的源天線放在相對於待測天線(AUT)的遠場位置上,待測天線架設在可鏇轉平台上,鏇轉待測天線,藉以採集大量方向圖取樣值,實現天線輻射特性的測量。由於天線是電磁開放系統,測試環境對測量結果將產生影響,因此必須合理選擇測試場地,儘量實現無反射的環境,如建造微波暗室等。

天線[無線電設備] 天線[無線電設備]

圖4測量天線輻射特性的典型配置

天線測量中的互易性

天線測量中被測天線的工作狀態可以是發射狀態,也可以是接收狀態。這可根據測量的內容,測量的設備、場地條件等因素靈活選擇。由天線互易原理得知,兩種工作狀態測量該天線參數的結果應該是一致的。

然而在實際測量中,互易原理必須在一定條件下才能套用。

(1)天線必須是線性的、無源的,如衛星電視接收天線,其饋源與高頻頭(LNB)為一體化的,不能用作發射。

(2)收發系統阻抗匹配要良好。雖然待測天線和源天線之間存在多次反射,但由於自由空間傳播的衰減,這種影響並不嚴重。源天線、饋線、信號源以及待測天線、饋線及接收機,它們相互間的阻抗匹配是滿足互易原理的重要條件。

(3)調換天線時,收發支路無有源器件,如功率放大器、低噪聲放大器、混頻器等。

近場和遠場

天線是一種能量轉換裝置,發射天線將導行波轉換為空間輻射波,接收天線則把空間輻射波轉換為導行波。因此,一副發射天線可以視為輻射電磁波的波源,其周圍的場強分布一般都是離開天線距離和角坐標的函式。通常,根據離開天線距離的不同將天線周圍的場區劃分為感應場區、輻射近場區和輻射遠場區,如圖5所示。

天線[無線電設備] 天線[無線電設備]

圖5天線的場區

(1)感應場區

感應場區是指很靠近天線的區域。在這個場區里,不輻射電磁波,電場能量和磁場能量交替地貯存於天線附近的空間內。電小尺寸的偶極子天線其感應場區的外邊界條件是l/2p。這裡,l是工作波長。

(2)輻射近場

在輻射近場區(又稱菲涅爾區)里電場的相對角分布(即方向圖)與離開天線的距離有關,即在不同距離處的方向圖是不同的。這是因為:

*由天線各輻射源所建立的場之相對相位關係是隨距離而變的。

*這些場的相對振幅也隨距離而改變。在輻射近場區的內邊界處(即感應場區的外邊界處)天線方向圖是一個主瓣和副瓣難分的起伏包絡。

*隨著離開天線距離的增加直到靠近遠場輻射區,天線方向圖的主瓣和副瓣才明顯形成,但零點電平和副瓣電平均較高。輻射近場區的外邊界按通用標準規定為:

r=2D /λ(m) (1.3.1)

式中,r是觀察點到天線的距離;

D是天線孔徑的尺寸。

(3)輻射遠場

輻射近場區的外邊就是輻射遠場區(夫朗荷費區)。該區域的特點是:

*場的相對角分布與離開天線的距離無關;

*場的大小與離開天線的距離成反比;

*方向圖主瓣、副瓣和零值點已全部形成。

輻射遠場區是進行天線測試的重要場區,天線輻射特性所包括各參數的測量均需在該區進行。實際測量中必須遵守公認的式(1.3.1)所示的近、遠場的分界距離。

天線[無線電設備] 天線[無線電設備]

圖6電小尺寸天線的場區

圖6是電小尺寸L/l<1(L是線天線的最大尺寸)的線天線的場區。由圖可見,電小天線只存在電抗近場區和輻射遠場區,沒有輻射近場區。常把輻射遠場與電抗近場相等的距離定義為L/l<1一類天線電抗近場區的外界,越過了這個距離(R=2p/l),輻射遠場就占優勢。

為了表征輻射遠場相對電抗近場的大小,常用它們的相對比值。由電基本振子的場方程可以求得電抗近場與輻射遠場之比,若用dB表示則為P(dB)=20lg(λ/2πR)=-16+20lg(λ/R)

不同距離上的場強比值如表1所示。

表1不同距離上的場強比值

R 1l 2l 3l 4l 5l 6l 7l 8l 9l 10l
ρE(dB) -16.0 -22.0 -25.5 -28.0 -29.9 -31.5 -32.9 -34.0 -35.0 -36.0

天線輻射特性測量法分類

天線輻射特性測量方法如圖6所示。遠場法可分為室外場、室內場及緊縮場;近場法可分為平面、球面、柱面近場測試法。

1.遠場方法

遠場方法又稱為直接法,所得到的遠場數據不需要計算和後處理就是方向圖。但是它往往需要很長的距離才能測試天線的特性,所以大多數的遠場方法都在室外測試場地進行。室外場又分高架場和斜架場,統稱為自由空間測試場,主要缺點是容易受外界的干擾和場地反射的影響。遠場方法如果在暗室里進行就稱為室內場。因為所需空間很大,室內場往往成本高。

緊縮場在分類上是屬於遠場測試場,但是它不用很大的測試場,而是用一個拋物面天線和饋源,饋源放在拋物面天線的焦點區域,經過拋物面反射的波是平面波。這樣被測天線就在平面波區域。緊縮場設備的加工精度要求很高,改變工作頻段需要更換饋源,費用較大。

2.近場方法

近場測量技術就是在天線的近場區的某一表面上採用一個特性已知的探頭來取樣場的幅度和相位特性,通過嚴格的數學變換而求得天線的遠場輻射特性的技術。根據取樣表面的形狀,近場測試場分為3種,即平面測試場、柱面測試場和球面測試場。

近場測量技術的主要優點是:所需要的場地小,可以在微波暗室內進行高精度的測量,免去了建造大型微波暗室的困難。測量受周圍環境的影響極小,保證全天候都能順利進行。測量的信息量大,通過在近場區的某一表面的取樣可以精確地得出天線任意方向的遠場幅度相位和極化特性。近場測量技術將在第7章詳細論述。

天線[無線電設備] 天線[無線電設備]

圖6天線輻射特性測量方法分類

對稱振子

拋物面天線 拋物面天線

對稱振子是一種經典的、迄今為止使用最廣泛的天線,單個半波對稱振子可簡單地單獨立地使用或用作為拋物面天線的饋源,也可採用多個半波對稱振子組成天線陣。 兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子,稱半波對稱振子。

半波對稱振子和半波折合振子 半波對稱振子和半波折合振子

另外,還有一種異型半波對稱振子,可看成是將全波對稱振子折合成一個窄長的矩形框,並把全波對稱振子的兩個端點相疊,這個窄長的矩形框稱為折合振子,注意,折合振子的長度也是為二分之一波長,故稱為半波折合振子,見 圖1.2 b。

天線背射

基站天線 基站天線

天線的背射是基於諧振腔波相干造加的原理。諧振腔是由主反射器、副反射器及饋源構成。由慢波結構的饋源輻射線射向主反射器,再由主反射器反射回來,到副反射器叉再次被反射,於是在諧振腔內沿其軸向形成。駐波場”。形成“駐渡場的條件是主、副反射器的間距為^/2的整數倍。因背射天線形成的諧振腔是開口的,適當選擇天線各部分尺寸,即可使開口諧振腔的能量輻射到自由空間,形成銳波束,其最大輻射方向沿其軸向。因這種天線的輻射方向與饋源的輻射方向相反,因此這種天線被看成“天線背射”。

方向性

12.1 天線方向性

饋線 饋線

發射天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去,基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向輻射。垂直放置的半波對稱振子具有平放的 “麵包圈” 形的立體方向圖。立體方向圖雖然立體感強,但繪製困難,平面方向圖用來描述天線在某指定平面上的方向性。

12.2 方向性增強

若干個對稱振子組陣,能夠控制輻射,產生“扁平的麵包圈” ,把信號進一步集中到在水平面方向上。

下圖是4個半波振子沿垂線上下排列成一個垂直四元陣時的立體方向圖和垂直面方向圖。

線纜 線纜

也可以利用反射板可把輻射能控制到單側方向,平面反射板放在陣列的一邊構成扇形區覆蓋天線。下面的水平面方向圖說明了反射面的作用------反射面把功率反射到單側方向,提高了增益。

拋物反射面的使用,更能使天線的輻射,像光學中的探照燈那樣,把能量集中到一個小立體角內,從而獲得很高的增益。不言而喻,拋物面天線的構成包括兩個基本要素:拋物反射面和放置在拋物面焦點上的輻射源。

12.3 波瓣寬度

方向圖通常都有兩個或多個瓣,其中輻射強度最大的瓣稱為主瓣,其餘的瓣稱為副瓣或旁瓣。參見圖1.3.4 a ,在主瓣最大輻射方向兩側,輻射強度降低 3 dB(功率密度降低一半)的兩點間的夾角定義為波瓣寬度(又稱 波束寬度 或主瓣寬度或 半功率角)。波瓣寬度越窄,方向性越好,作用距離越遠,抗干擾能力越強。

還有一種波瓣寬度,即10dB波瓣寬度,顧名思義它是方向圖中輻射強度降低 10dB (功率密度降至十分之一) 的兩個點間的夾角,見圖1.3.4 b。

12.4 前後比

方向圖中,前後瓣最大值之比稱為前後比,記為 F / B 。前後比越大,天線的後向輻射(或接收)越小。前後比F / B 的計算十分簡單:

F / B = 10 Lg {(前向功率密度)/(後向功率密度)}

對天線的前後比F / B有要求時,其典型值為 (18 ~30)dB,特殊情況下則要求達(35 ~ 40)dB。

12.5 近似計算式

1)天線主瓣寬度越窄,增益越高。對於一般天線,可用下式估算其增益:

G(dBi)= 10 Lg { 32000 / ( 2θ3dB,E ×2θ3dB,H )}

式中, 2θ3dB,E 與 2θ3dB,H 分別為天線在兩個主平面上的波瓣寬度;

32000 是統計出來的經驗數據。

2)對於拋物面天線,可用下式近似計算其增益:

G(dB i)=10 Lg { 4.5 ×( D / λ0 )2}

式中,D 為拋物面直徑;

λ0 為中心工作波長;

4.5 是統計出來的經驗數據。

3)對於直立全向天線,有近似計算式

G( dBi )= 10 Lg { 2 L / λ0 }

式中,L 為天線長度;

λ0 為中心工作波長;

12.6 上旁瓣抑制

對於基站天線,人們常常要求它的垂直面(即俯仰面)方向圖中,主瓣上方第一旁瓣儘可能弱一些。這就是所謂的上旁瓣抑制 。基站的服務對象是地面上的行動電話用戶,指向天空的輻射是毫無意義的。

12.7 天線的下傾

為使主波瓣指向地面,安置時需要將天線適度下傾。

雙極化

天線 天線

下圖示出了另兩種單極化的情況:+45°極化 與 -45°極化,它們僅僅在特殊場合下使用。這樣,共有四種單極化了,見下圖。把垂直極化和水平極化兩種極化的天線組合在一起,或者,把 +45°極化和 -45°極化兩種極化的天線組合在一起,就構成了一種新的天線---雙極化天線。

下圖示出了兩個單極化天線安裝在一起組成一付雙極化天線,注意,雙極化天線有兩個接頭。

雙極化天線輻射(或接收)兩個極化在空間相互正交(垂直)的波。

13.1 極化損失

垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收,水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。右鏇圓極化波要用具有右鏇圓極化特性的天線來接收,而左鏇圓極化波要用具有左鏇圓極化特性的天線來接收。

當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時,接收到的信號都會變小,也就是說,發生極化損失。例如:當用+ 45° 極化天線接收垂直極化或水平極化波時,或者,當用垂直極化天線接收 +45° 極化或 -45°極化波時,等等情況下,都要產生極化損失。用圓極化天線接收任一線極化波,或者,用線極化天線接收任一圓極化波,等等情況下,也必然發生極化損失------只能接收到來波的一半能量。

當接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時,例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來波,或用右鏇圓極化的接收天線接收左鏇圓極化的來波時,天線就完全接收不到來波的能量,這種情況下極化損失為最大,稱極化完全隔離。

13.2 極化隔離

理想的極化完全隔離是沒有的。饋送到一種極化的天線中去的信號多少總會有那么一點點在另外一種極化的天線中出現。例如下圖所示的雙極化天線中,設輸入垂直極化天線的功率為10W,結果在水平極化天線的輸出端測得的輸出功率為 10mW。

天線參數

影響天線性能的臨界參數有很多,通常在天線設計過程中可以進行調整,如諧振頻率、阻抗、增益、孔徑或輻射方向圖、極化、效率和頻寬等。另外,發射天線還有最大額定功率,而接收天線則有噪聲抑制參數。

14.1 諧振頻率

“諧振頻率”和“電諧振”與天線的電長度相關。電長度通常是電線物理長度除以自由空間中波傳輸速度與電線中速度之比。天線的電長度通常由波長來表示。天線一般在某一頻率調諧,並在此諧振頻率為中心的一段頻帶上有效。但其它天線參數(尤其是輻射方向圖和阻抗)隨頻率而變,所以天線的諧振頻率可能僅與這些更重要參數的中心頻率相近。

天線可以在與目標波長成分數關係的長度所對應的頻率下諧振。一些天線設計有多個諧振頻率,另一些則在很寬的頻帶上相對有效。最常見的寬頻天線是對數周期天線,但它的增益相對於窄帶天線則要小很多。

14.2 增益

“增益”指天線最強輻射方向的天線輻射方向圖強度與參考天線的強度之比取對數。如果參考天線是全向天線,增益的單位為dBi。比如,偶極子天線的增益為2.14dBi 。偶極子天線也常用作參考天線(這是由於完美全向參考天線無法製造),這種情況下天線的增益以dBd為單位。

天線增益是無源現象,天線並不增加激勵,而是僅僅重新分配而使在某方向上比全向天線輻射更多的能量。如果天線在一些方向上增益為正,由於天線的能量守恆,它在其他方向上的增益則為負。因此,天線所能達到的增益要在天線的覆蓋範圍和它的增益之間達到平衡。比如,太空飛行器上碟形天線的增益很大,但覆蓋範圍卻很窄,所以它必須精確地指向地球;而廣播發射天線由於需要向各個方向輻射,它的增益就很小。

碟形天線的增益與孔徑(反射區)、天線反射面表面精度,以及發射/接收的頻率成正比。通常來講,孔徑越大增益越大,頻率越高增益也越大,但在較高頻率下表面精度的誤差會導致增益的極大降低。

“孔徑”和“輻射方向圖”與增益緊密相關。孔徑是指在最高增益方向上的“波束”截面形狀,是二維的(有時孔徑表示為近似於該截面的圓的半徑或該波束圓錐所呈的角)。輻射方向圖則是表示增益的三維圖,但通常只考慮輻射方向圖的水平和垂直二維截面。高增益天線輻射方向圖常伴有“副瓣”。副瓣是指增益中除主瓣(增益最高“波束”)外的波束。副瓣在如雷達等系統需要判定信號方向的時候,會影響天線質量,由於功率分配副瓣還會使主瓣增益降低。

增益是指:在輸入功率相等的條件下,實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關係,方向圖主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。可以這樣來理解增益的物理含義------為在一定的距離上的某點處產生一定大小的信號,如果用理想的無方向性點源作為發射天線,需要100W的輸入功率,而用增益為 G = 13 dB = 20 的某定向天線作為發射天線時,輸入功率只需 100 / 20 = 5W 。換言之,某天線的增益,就其最大輻射方向上的輻射效果來說,與無方向性的理想點源相比,把輸入功率放大的倍數。

半波對稱振子的增益為G=2.15dBi。

4個半波對稱振子沿垂線上下排列,構成一個垂直四元陣,其增益約為G=8.15dBi ( dBi這個單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源)。

如果以半波對稱振子作比較對象,其增益的單位是dBd。

半波對稱振子的增益為G=0dBd(因為是自己跟自己比,比值為1,取對數得零值。)垂直四元陣,其增益約為G=8.15–2.15=6dBd。

增益特性:

⑴天線是無源器件,不能產生能量,天線增益只是將能量有效集中向某特定的方向輻射或接收電磁波能力。

⑵天線增益由振子疊加而產生,增益越高,天線長度越長。

⑶天線增益越高,方向性越好,能量越集中,波瓣越窄。

14.3 頻寬

天線的頻寬是指它有效工作的頻率範圍,通常以其諧振頻率為中心。天線頻寬可以通過以下多種技術增大,如使用較粗的金屬線,使用金屬“網籠”來近似更粗的金屬線,尖端變細的天線元件(如饋電喇叭中),以及多天線集成的單一部件,使用特性阻抗來選擇正確的天線。小型天線通常使用方便,但在頻寬、尺寸和效率上有著不可避免的限制。

14.4 阻抗

“阻抗”類似於光學中的折射率。電波穿行於天線系統不同部分(電台、饋線、天線、自由空間)是會遇到阻抗差異。在每個接口處,取決於阻抗匹配,電波的部分能量會反射回源,在饋線上形成一定的駐波。此時電波最大能量與最小能量比值可以測出,稱之為駐波比(SWR)。駐波比為1:1是理想情況。1.5:1的駐波比在能耗較為關鍵的低能套用上被視為臨界值。而高達6:1的駐波比也可出現在相應的設備中。極小化各處接口的阻抗差(阻抗匹配)將減小駐波比並極大化天線系統各部分之間的能量傳輸。

天線的復阻抗涉及該天線工作時的電長度。通過調節饋線的阻抗,即將饋線當作阻抗變換器,天線的阻抗可以和饋線和電台相匹配。更為常見的是使用天線調諧器、巴倫、阻抗變換器、包含電容和電感的匹配網路,或者如伽馬匹配的匹配段。

14.5 輻射方向圖

半波雙極子天線(同上)增益(dBi)輻射方向圖是天線發射或接受相對場強度的圖形描述。由於天線向三維空間輻射,需要數個圖形來描述。如果天線輻射相對某軸對稱(如雙極子天線、螺鏇天線和某些拋物面天線),則只需一張方向圖。

不同的天線供應商/使用者對於方向圖有著不同的標準和製圖格式。

14.6 特性阻抗

無限長傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗,用Z0 表示。同軸電纜的特性阻抗的計算公式為

Z。=〔60/√εr〕×Log ( D/d ) [ 歐]。

式中,D 為同軸電纜外導體銅網內徑; d 為同軸電纜芯線外徑;

εr為導體間絕緣介質的相對介電常數。

通常Z0 = 50 歐 ,也有Z0 = 75 歐的。

由上式不難看出,饋線特性阻抗只與導體直徑D和d以及導體間介質的介電常數εr有關,而與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負載阻抗無關。

14.7 衰減係數

信號在饋線里傳輸,除有導體的電阻性損耗外,還有絕緣材料的介質損耗。這兩種損耗隨饋線長度的增加和工作頻率的提高而增加。因此,應合理布局儘量縮短饋線長度。

單位長度產生的損耗的大小用衰減係數 β 表示,其單位為 dB / m (分貝/米),電纜技術說明書上的單位大都用 dB / 100 m(分貝/百米) .

設輸入到饋線的功率為P1 ,從長度為 L(m )的饋線輸出的功率為P2 ,傳輸損耗TL可表示為:

TL = 10 ×Lg ( P1 /P2 ) ( dB )

衰減係數為

β = TL / L ( dB / m )

例如, NOKIA 7 / 8英寸低耗電纜, 900MHz 時衰減係數為 β= 4.1 dB / 100 m ,也可寫成 β=3 dB / 73 m , 也就是說, 頻率為 900MHz 的信號功率,每經過 73 m 長的這種電纜時,功率要少一半。

而普通的非低耗電纜,例如, SYV-9-50-1, 900MHz 時衰減係數為 β = 20.1 dB / 100 m ,也可寫成β=3dB / 15 m ,也就是說, 頻率為 900MHz 的信號功率,每經過15 m 長的這種電纜時,功率就要少一半。

14.8 輸入阻抗

定義:天線輸入端信號電壓與信號電流之比,稱為天線的輸入阻抗。 輸入阻抗具有電阻分量 Rin 和電抗分量 Xin ,即 Zin = Rin + j Xin 。電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取,因此,必須使電抗分量儘可能為零,也就是應儘可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實上,即使是設計、調試得很好的天線,其輸入阻抗中總還含有一個小的電抗分量值。

輸入阻抗與天線的結構、尺寸以及工作波長有關,半波對稱振子是最重要的基本天線 ,其輸入阻抗為 Zin = 73.1+j42.5 (歐) 。當把其長度縮短(3~5)%時,就可以消除其中的電抗分量,使天線的輸入阻抗為純電阻,此時的輸入阻抗為 Zin = 73.1 (歐) ,(標稱 75 歐) 。注意,嚴格的說,純電阻性的天線輸入阻抗只是對點頻而言的。

順便指出,半波折合振子的輸入阻抗為半波對稱振子的四倍,即 Zin = 280 (歐) ,(標稱300歐)。

有趣的是,對於任一天線,人們總可通過天線阻抗調試,在要求的工作頻率範圍內,使輸入阻抗的虛部很小且實部相當接近 50 歐,從而使得天線的輸入阻抗為Zin = Rin = 50 歐------這是天線能與饋線處於良好的阻抗匹配所必須的。

14.9 工作頻率

無論是發射天線還是接收天線,它們總是在一定的頻率範圍(頻頻寬度)內工作的,天線的頻頻寬度有兩種不同的定義:

一種是指:在駐波比SWR ≤ 1.5 條件下,天線的工作頻頻寬度;

一種是指:天線增益下降 3 分貝範圍內的頻頻寬度。

在移動通信系統中,通常是按前一種定義的,具體的說,天線的頻頻寬度就是天線的駐波比SWR 不超過 1.5 時,天線的工作頻率範圍。

一般說來,在工作頻頻寬度內的各個頻率點上, 天線性能是有差異的,但這種差異造成的性能下降是可以接受的。

常用天線

移動通信常用的基站天線、直放站天線與室內天線。

15.1 板狀天線

無論是GSM 還是CDMA, 板狀天線是用得最為普遍的一類極為重要的基站天線。這種天線的優點是:增益高、扇形區方向圖好、後瓣小、垂直面方向圖俯角控制方便、密封性能 可靠以及使用壽命長。

板狀天線也常常被用作為直放站的用戶天線,根據作用扇形區的範圍大小,應選擇相應的天線型號。

15.2 天線指標

頻率範圍: 824-960 MHz

頻頻寬度: 70MHz

增益: 14 ~ 17 dBi

極化: 垂直

標稱阻抗: 50 Ohm

電壓駐波比≤ 1.4

前後比 >25dB

15.3 板狀天線

採用多個半波振子排成一個垂直放置的直線陣

在直線陣的一側加一塊反射板 (以帶反射板的二半波振子垂直陣為例)

1.

採用多個半波振子排成一個垂直放置的直線陣

2.

在直線陣的一側加一塊反射板 (以帶反射板的二半波振子垂直陣為例)

增益為 G = 11 ~ 14 dBi

為提高板狀天線的增益,還可以進一步採用八個半波振子排陣

1.

為提高板狀天線的增益,還可以進一步採用八個半波振子排陣

前面已指出,四個半波振子排成一個垂直放置的直線陣的增益約為 8 dBi;一側加有一個反射板的四元式直線陣,即常規板狀天線,其增益約為 14 ~ 17 dBi。

一側加有一個反射板的八元式直線陣,即加長型板狀天線,其增益約為 16 ~ 19 dBi。 不言而喻,加長型板狀天線的長度,為常規板狀天線的一倍,達 2.4 m 左右。

15.4 高增益柵狀

從性能價格比出發,人們常常選用柵狀拋物面天線作為直放站施主天線。由於拋物面具有良好的聚焦作用,所以拋物面天線集射能力強,直徑為 1.5 m 的柵狀拋物面天線,在900兆頻段,其增益即可達 G = 20dBi。它特別適用於點對點的通信,例如它常常被選用為直放站的施主天線。

拋物面採用柵狀結構,一是為了減輕天線的重量,二是為了減少風的阻力。

拋物面天線一般都能給出 不低於 30 dB 的前後比 ,這也正是直放站系統防自激而對接收天線所提出的必須滿足的技術指標。

15.5 八木定向天線

八木定向天線,具有增益較高、結構輕巧、架設方便、價格便宜等優點。因此,它特別適用於點對點的通信,例如它是室內分布系統的室外接收天線的首選天線類型。

八木定向天線的單元數越多,其增益越高,通常採用 6 - 12 單元的八木定向天線,其增益可達 10-15dBi。

15.6 室內吸頂天線

室內覆蓋吸頂天線 室內覆蓋吸頂天線

室內吸頂天線必須具有結構輕巧、外型美觀、安裝方便等優點。現今市場上見到的室內吸頂天線,外形花色很多,但其內芯的構造幾乎都是一樣的。這種吸頂天線的內部結構,雖然尺寸很小,但由於是在天線寬頻理論的基礎上,藉助計算機的輔助設計,以及使用網路分析儀進行調試,所以能很好地滿足在非常寬的工作頻帶內的駐波比要求,按照國家標準,在很寬的頻帶內工作的天線其駐波比指標為VSWR ≤ 2 。當然,能達到VSWR ≤ 1.5 更好。順便指出,室內吸頂天線屬於低增益天線, 一般為G = 2 dBi。

15.7 環形天線

環形天線和人體非常相似, 有普通的單極或多級 天線功能。再加上小型環形天線的體積小、高可靠性

和低成本,使其成為微小型通信產品的理想天線。典型的環形天線由電路板上的銅走線組成的電迴路構成,也可能是一段製作成環形的導線。其等效電路相當於兩個串連電阻與一個電感的串連( 如圖1 所示) 。Rrad 是環形天線實際發射能量的電阻模型,它消耗的功率就是電路的發射功率。

假設流過天線迴路的電流為I,那么Rrad 的消耗功率,即RF 功率為Pradiate=I2·Rrad。電阻Rloss 是環形天線因發熱而消耗能量的電阻模型,它消耗的功率是一種不可避免的能量損耗,其大小為Ploss=I2·Rloss。如果Rloss>Rrad,那么損耗的功率比實際發射的功率大,因此這個天線是低效的。天線消耗的功率就是發射功率和損耗功率之和。實際上,環形天線的設計幾乎無法控制Ploss 和Prad,因為Ploss 是由製作天線的導體的導電能力和導線的大小決定的,而Prad 是由天線所圍成的面積大小決定的。

15.8 室內壁掛天線

室內壁掛天線同樣必須具有結構輕巧、外型美觀、安裝方便等優點。

現今市場上見到的室內壁掛天線,外形花色很多,但其內芯的購造幾乎也都是一樣的。這種壁掛天線的內部結構,屬於空氣介質型微帶天線。由於採用了展寬天線頻寬的輔助結構,藉助計算機的輔助設計,以及使用網路分析儀進行調試,所以能較好地滿足了工作寬頻帶的要求。順便指出,室內壁掛天線具有一定的增益,約為G = 7 dBi。

電波傳播

16.1 基本信息

截至目前GSM和CDMA移動通信使用的頻段為:

GSM:890 - 960 MHz, 1710 - 1880 MHz

CDMA:806 - 896 MHz

16.2 距離方程

設發射功率為PT,發射天線增益為GT,工作頻率為f . 接收功率為PR,接收天線增益為GR,收、發天線間距離為R,那么電波在無環境干擾時,傳播途中的電波損耗 L0 有以下表達式:

L0 (dB) = 10 Lg( PT / PR )

= 32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) - GT (dB) - GR (dB)

[ 舉例] 設:PT = 10 W = 40dBmw ;GR = GT = 7 (dBi) ; f = 1910MHz

問:R = 500 m 時, PR = ?

解答: (1) L0 (dB) 的計算

L0 (dB) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz ) + 20 Lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB)

= 32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7 = 78.07 (dB)

(2)PR 的計算

PR = PT / ( 10 7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10 7.807 ) = 1 ( μW ) / ( 10 0.807 )

= 1 ( μW ) / 6.412 = 0.156 ( μW ) = 156 ( mμW )

順便指出,1.9GHz電波在穿透一層磚牆時,大約損失 (10~15) dB

16.3 傳播視距

2.1 極限直視距離

1.

2.1 極限直視距離

超短波特別是微波,頻率很高,波長很短,它的地表面波衰減很快,因此不能依靠地表面波作較遠距離的傳播。超短波特別是微波,主要是由空間波來傳播的。簡單地說,空間波是在空間範圍內沿直線方向傳播的波。顯然,由於地球的曲率使空間波傳播存在一個極限直視距離Rmax 。在最遠直視距離之內的區域,習慣上稱為照明區;極限直視距離Rmax以外的區域,則稱為陰影區。不言而喻,利用超短波、微波進行通信時,接收點應落在發射天線極限直視距離Rmax內。 受地球曲率半徑的影響,極限直視距離Rmax 和發射天線與接收天線的高度HT 與 HR間的關係 為 : Rmax = 3.57{ √HT (m) +√HR (m) } (km)

考慮到大氣層對電波的折射作用,極限直視距離應修正為

Rmax = 4.12 { √HT (m) +√HR (m) } (km)

由於電磁波的頻率遠低於光波的頻率,電波傳播的有效直視距離 Re 約為 極限直視距離Rmax 的 70% ,即 Re = 0.7 Rmax .

例如,HT 與 HR 分別為 49 m 和 1.7 m,則有效直視距離為 Re = 24 km。

3 電波在平面地上的傳播特徵

1.

3 電波在平面地上的傳播特徵

由發射天線直接射到接收點的電波稱為直射波;發射天線發出的指向地面的電波,被地面反射而到達接收點的電波稱為反射波。顯然,接收點的信號應該是直射波和反射波的合成。電波的合成不會象 1 + 1 = 2 那樣簡單地代數相加,合成結果會隨著直射波和反射波間的波程差的不同而不同。波程差為半個波長的奇數倍時,直射波和反射波信號相加,合成為最大;波程差為一個波長的倍數時,直射波和反射波信號相減,合成為最小。可見,地面反射的存在,使得信號強度的空間分布變得相當複雜。

實際測量指出:在一定的距離 Ri之內,信號強度隨距離或天線高度的增加都會作起伏變化;在一定的距離 Ri之外,隨距離的增加或天線高度的減少,信號強度將。單調下降。理論計算給出了這個 Ri 和天線高度 HT與 HR 的關係式:

Ri = (4 HT HR )/ l , l 是波長。

不言而喻,Ri 必須小於極限直視距離Rmax。

4 電波的多徑傳播

1.

4 電波的多徑傳播

在超短波、微波波段,電波在傳播過程中還會遇到障礙物(例如樓房、高大建築物或山丘等)對電波產生反射。因此,到達接收天線的還有多種反射波(廣義地說,地面反射波也應包括在內),這種現象叫為多徑傳播。

由於多徑傳輸,使得信號場強的空間分布變得相當複雜,波動很大,有的地方信號場強增強,有的地方信號場強減弱;也由於多徑傳輸的影響,還會使電波的極化方向發生變化。另外,不同的障礙物對電波的反射能力也不同。例如:鋼筋水泥建築物對超短波、微波的反射能力比磚牆強。我們應儘量克服多徑傳輸效應的負面影響,這也正是在通信質量要求較高的通信網中,人們常常採用空間分集技術或極化分集技術的緣由。

5 電波的繞射傳播

1.

5 電波的繞射傳播

在傳播途徑中遇到大障礙物時,電波會繞過障礙物向前傳播,這種現象叫做電波的繞射。超短波、微波的頻率較高,波長短,繞射能力弱,在高大建築物後面信號強度小,形成所謂的“陰影區”。信號質量受到影響的程度,不僅和建築物的高度有關,和接收天線與建築物之間的距離有關,還和頻率有關。例如有一個建築物,其高度為 10 米,在建築物後面距離200 米處,接收的信號質量幾乎不受影響,但在 100 米處,接收信號場強比無建築物時明顯減弱。注意,誠如上面所說過的那樣,減弱程度還與信號頻率有關,對於 216 ~ 223 兆赫的射頻信號,接收信號場強比無建築物時低16 dB,對於 670 兆赫的射頻信號,接收信號場強比無建築物時低20dB .如果建築物高度增加到 50 米時,則在距建築物 1000 米以內,接收信號的場強都將受到影響而減弱。也就是說,頻率越高、建築物越高、接收天線與建築物越近,信號強度與通信質量受影響程度越大;相反,頻率越低,建築物越矮、接收天線與建築物越遠,影響越小。

因此,選擇基站場地以及架設天線時,一定要考慮到繞射傳播可能產生的各種不利影響,注意到對繞射傳播起影響的各種因素。

基本概念

17.1 概述

連線天線和發射機輸出端(或接收機輸入端)的電纜稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務是有效地傳輸信號能量,因此,它應能將發射機發出的信號功率以最小的損耗傳送到發射天線的輸入端,或將天線接收到的信號以最小的損耗傳送到接收機輸入端,同時它本身不應拾取或產生雜散干擾信號,這樣,就要求傳輸線必須禁止。

順便指出,當傳輸線的物理長度等於或大於所傳送信號的波長時,傳輸線又叫做長線。

17.2 傳輸線種類

同軸電纜傳輸線 同軸電纜傳輸線

超短波段的傳輸線一般有兩種:平行雙線傳輸線和同軸電纜傳輸線;微波波段的傳輸線有同軸電纜傳輸線、波導和微帶。平行雙線傳輸線由兩根平行的導線組成它是對稱式或平衡式的傳輸線,這種饋線損耗大,不能用於UHF頻段。同軸電纜傳輸線的兩根導線分別為芯線和禁止銅網,因銅網接地,兩根導體對地不對稱,因此叫做不對稱式或不平衡式傳輸線。同軸電纜工作頻率範圍寬,損耗小,對靜電耦合有一定的禁止作用,但對磁場的干擾卻無能為力。使用時切忌與有強電流的線路並行走向,也不能靠近低頻信號線路。

17.3 匹配概念

什麼叫匹配?簡單地說,饋線終端所接負載阻抗ZL 等於饋線特性阻抗Z0 時,稱為饋線終端是匹配連線的。匹配時,饋線上只存在傳向終端負載的入射波,而沒有由終端負載產生的反射波,因此,當天線作為終端負載時,匹配能保證天線取得全部信號功率。如下圖所示,當天線阻抗為 50 歐時,與50 歐的電纜是匹配的,而當天線阻抗為 80 歐時,與50歐的電纜是不匹配的。

如果天線振子直徑較粗,天線輸入阻抗隨頻率的變化較小,容易和饋線保持匹配,這時天線的工作頻率範圍就較寬。反之,則較窄。

在實際工作中,天線的輸入阻抗還會受到周圍物體的影響。為了使饋線與天線良好匹配,在架設天線時還需要通過測量,適當地調整天線的局部結構,或加裝匹配裝置。

17.4 反射損耗

前面已指出,當饋線和天線匹配時,饋線上沒有反射波,只有入射波,即饋線上傳輸的只是向天線方向行進的波。這時,饋線上各處的電壓幅度與電流幅度都相等,饋線上任意一點的阻抗都等於它的特性阻抗。

而當天線和饋線不匹配時,也就是天線阻抗不等於饋線特性阻抗時,負載就只能吸收饋線上傳輸的部分高頻能量,而不能全部吸收,未被吸收的那部分能量將反射回去形成反射波。

例如,在右圖中,由於天線與饋線的阻抗不同,一個為75歐姆,一個為50歐姆,阻抗不匹配,其結果是

17.5 電壓駐波比

在不匹配的情況下, 饋線上同時存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方,電壓振幅相加為最大電壓振幅Vmax ,形成波腹;而在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅Vmin ,形成波節。其它各點的振幅值則介于波腹與波節之間。這種合成波稱為行駐波。

反射波電壓和入射波電壓幅度之比叫作反射係數,記為 R

反射波幅度 (ZL-Z0)

入射波幅度 (ZL+Z0 )

波腹電壓與波節電壓幅度之比稱為駐波係數,也叫電壓駐波比,記為VSWR

波腹電壓幅度Vmax (1 + R)

波節電壓輻度Vmin (1 - R)

終端負載阻抗ZL 和特性阻抗Z0 越接近,反射係數 R 越小,駐波比VSWR 越接近於1,匹配也就越好。

17.6 平衡裝置

信號源或負載或傳輸線,根據它們對地的關係,都可以分成平衡和不平衡兩類。

若信號源兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反,就稱為平衡信號源,否則稱為不平衡信號源;若負載兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反,就稱為平衡負載,否則稱為不平衡負載;若傳輸線兩導體與地之間阻抗相同,則稱為平衡傳輸線,否則為不平衡傳輸線。

在不平衡信號源與不平衡負載之間應當用同軸電纜連線,在平衡信號源與平衡負載之間應當用平行雙線傳輸線連線,這樣才能有效地傳輸信號功率,否則它們的平衡性或不平衡性將遭到破壞而不能正常工作。如果要用不平衡傳輸線與平衡負載相連線,通常的辦法是在糧者之間加裝“平衡-不平衡”的轉換裝置,一般稱為平衡變換器 。

7.1 二分之一波長平衡變換器

1.

7.1 二分之一波長平衡變換器

又稱“U”形管平衡變換器,它用於不平衡饋線同軸電纜與平衡負載半波對稱振子之間的連線。 “U”形管平衡變換器還有 1:4 的阻抗變換作用。移動通信系統採用的同軸電纜特性阻抗通常為50歐,所以在YAGI天線中,採用了折合半波振子,使其阻抗調整到200歐左右,實現最終與主饋線50歐同軸電纜的阻抗匹配。

7.2 四分之一波長平衡-不平衡器

1.

7.2 四分之一波長平衡-不平衡器

利用四分之一波長短路傳輸線終端為高頻開路的性質實現天線平衡輸入連線埠與同軸饋線不平衡輸出連線埠之間的平衡-不平衡變換。

相關詞條

相關搜尋