天線工作原理

1、天線工作原理lrmcumt 發(fā)表于 2006-8-8 9:41:001,VSWR(電壓駐波比與回損的關(guān)系1）天線工作原理及作用是什么？答：天線作為無線通信不可缺少的一部分，其基本功能是輻射和接收無線電波。發(fā)射時，把高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波；接收時，把電滋波轉(zhuǎn)換為高頻電流。（2）天線有多少種類？答：天線品種繁多，主要有下列幾種分類方式：按用途可分為基地臺天線（base station antenna）和移動臺天線（mobile portable antennas）按工作頻段可劃分為超長波、長波、中波、短波、超短波和微波；按其方向可劃分為全向和定向天線；（3）如何選擇天線？答：天線作為通信系統(tǒng)的重要組

2、成部分，其性能的好壞直接影響通信系統(tǒng)的指標(biāo)，用戶在選擇天線時必須首先注重其性能。具體說有兩個方面，第一選擇天線類型；第二選擇天線的電氣性能。選擇天線類型的意義是：所選天線的方向圖是否符合系統(tǒng)設(shè)計中電波覆蓋的要求；選擇天線電氣性能的要求是：選擇天線的頻率帶寬、增益、額定功率等電氣指標(biāo)是否符合系統(tǒng)設(shè)計要求。因此，用戶在選擇天線時最好向廠家聯(lián)系咨詢。（4）什么是天線的增益？答：增益是天線的主要指標(biāo)之一，它是方向系數(shù)與效率的乘積，是天線輻射或接收電波大小的表現(xiàn)。增益大小的選擇取決于系統(tǒng)設(shè)計對電波覆蓋區(qū)域的要求，簡單地說，在同等條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠，一般基地臺天線采用高增益天線，移動臺天

3、線采用低增益天線。（5）什么是電壓駐波比？答：天線輸入阻抗和饋線的特性阻抗不一致時，產(chǎn)生的反射波和入射波在饋線上疊加形成的磁波，其相鄰電壓的最大值和最小值之比是電壓駐波比，它是檢驗饋線傳輸效率的依據(jù)，電壓駐波比小于1.5，在工作頻點的電壓駐波比小于1.2，電壓駐波比過大，將縮短通信距離，而且反射功率將返回發(fā)射機功放部分，容易燒壞功放管，影響通信系統(tǒng)正常工作。電壓駐波比 1.0 1.1 1.2 1.5 2.0 3.0 反射功率% 0 0.2 0.8 4.0 11.1 25.0 傳輸功率% 100 99.8 99.2 96 88.9 75.0 （6）什么是天線的方向性？答：天線對空間不同方向具有不

4、同的輻射或接收能力，這就是天線的方向性。衡量天線方向性通常使用方向圖，在水平面上，輻射與接收無最大方向的天線稱為全向天線，有一個或多個最大方向的天線稱為定向天線。全向天線由于其無方向性，所以多用在點對多點通信的中心臺。定向天線由于具有最大輻射或接收方向，因此能量集中，增益相對全向天線要高，適合于遠距離點對點通信，同時由于具有方向性，抗干擾能力比較強。（7）如何理解天線的工作頻帶寬度？答：天線的電參數(shù)一般都于工作頻率有關(guān)，保證電參數(shù)指標(biāo)容許的頻率變化范圍，即是天線的工作頻帶寬度。一般全向天線的工作帶寬能達到工作頻率范圍的3-5%，定向天線的工作帶寬能達到工作頻率的5-10%。（8）如何選取電纜及

5、電纜長度？答：移動通信系統(tǒng)常使用特性阻抗為50歐的同軸電纜作為饋線。為了有效地把電波傳輸?shù)教炀€接口，應(yīng)盡量減小饋線的傳輸損耗。傳輸損耗取決于電纜的直徑和長度，同一頻率下電纜直徑越大，損耗越小，電纜越長損耗越大，原則上，要求電纜的傳輸損耗不宜超過3分貝。下表列出常用電纜的衰減值（db/m），用戶可根據(jù)自已情況，合理選擇電纜型號及長度。頻率型號 150MHz 400MHz 900MHz SYV-50-7 0.121 0.203 0.295 CTC-50-7 0.060 0.100 0.165 CTC-50-9 0.050 0.085 0.135 CTC-50-12 0.040 0.060 0.10

6、5 進口10D-FB 0.040 0.070 0.110 （9）如何選擇天線安裝地點？答：由于地形和環(huán)境的影響，天線接收到的電磁波是直射波、反射波及散射波的疊加，其結(jié)果決定了接收點處的場強幅度和相位，并直接影響天線的應(yīng)用效果。因此，選擇天線架設(shè)位置應(yīng)注意以下幾個方面：1、 天線的發(fā)射或接收方向應(yīng)避開障礙物（樓房、鐵塔、橋梁等）；2、 天線架設(shè)地點應(yīng)盡量遠離干擾源（高壓線、航線、鐵塔、公路等）；3、 天線應(yīng)盡量架設(shè)在附近的制高點：4、 如有幾付天線同在一個鐵塔上工作，應(yīng)特別注意它們之間的左右和上下的間距，以防相互耦合影響系統(tǒng)性能。（10）天饋系統(tǒng)應(yīng)如何安裝？答：首先將天線、饋線和配套零部件按產(chǎn)品

7、說明的要求組裝好，然后在天線的支撐位置，用卡具固定于塔桿的天線支架上，并使天線與塔桿的平行間距大于使用波長，減少塔桿對天線性能的影響。在天線端口處，將饋電線用連接器（或稱電纜頭）與天線接好，彎一個直徑約五十倍于饋電線直徑的圓環(huán)固定于天線支架上，避免連接器部位直接受力而斷線或損壞。（11）天饋系統(tǒng)如何防水？答：天線與饋電線主要是靠連接器連接，采用自粘性橡膠密封帶，將其拉伸后，以半搭形式纏繞在接連器上，可起到良好的密封防水作用。另外，在饋電線進入室內(nèi)處彎一個返水彎，可避免雨水沿饋電線進入室內(nèi)設(shè)備。（12）如何檢測天饋系統(tǒng)？答：天饋系統(tǒng)架設(shè)好后，應(yīng)由專業(yè)技術(shù)人員使用專用檢測儀器進行檢測。通?？稍诎l(fā)射

8、機和天饋系統(tǒng)之間串接通過式功率計，檢驗設(shè)備發(fā)射機功率和反射功率的大小來判斷系統(tǒng)工作是否正常。2,OIP3,IIP3,IM3,P1db的關(guān)系 Pin：Input powerPout：Output powerIM3：3rd order intermodulation productIIP3：Input 3rd order intercept pointOIP3：Output 3rd order intercept point各指標(biāo)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如下。Pout (dBm = Pin (dBm + G (dB （1）OIP3 (dBm = IIP3 (dBm + G (dB （2）OIP3 (dBm

9、= Pout (dBm +A/2 (dBc （3）IIP3 (dBm = Pin (dBm +A/2 (dBc （4）IM3 (dBm = 3Pin (dBm 2IIP3 (dBm + G (dB = 3Pout (dBm 2IIP3 (dBm 2G (dB = 3Pout (dBm 2OIP3 (dBm （5）3,噪聲與接收靈敏度的關(guān)系 認為:手機的輻射靈敏度和天線是有關(guān)的,是有手機傳導(dǎo)靈敏度天線性能手機輻射躁聲共同決定的.首先,如果傳導(dǎo)靈敏度不好,那輻射靈敏度肯定不好,這沒有什么可爭辯的.其次,如果天線效率和方向不好,照樣輻射靈敏度會低.最后,如果傳導(dǎo)靈敏度天線效率和方向圖都不錯,但是PC

10、B在工作頻段的噪聲輻射太高,輻射靈敏度也會變差(這個時候往往天線的效率越高,輻射靈敏度越差,因為接受到的噪聲會很高. 哪位大蝦覺得有問題,我們探討探討.4,終端負載為0,25,50,無窮大時的現(xiàn)象終端我載是一種單口元件。常用的終端負載有兩類，一類是匹配負載，一類是可變短路器。這些終端裝置廣泛地用于實驗室，以測量微波元件的阻抗和散射參量。匹配負載是用來全部吸收入射波功率，保證傳輸系統(tǒng)的終端不產(chǎn)生反射的終端裝置，它相當(dāng)于終接特性阻抗的線。可變短路器是一種可調(diào)整的電抗性負載，是用來把入射波功率全部反射的終端裝置。反射波的相位隨短路器位置的變化而變化，因而，改變短路器的位置，相當(dāng)于改變終端負載的電抗。

11、 波導(dǎo)型匹配負載是嵌入波導(dǎo)中的有耗材料做成的一塊漸變的尖劈或片，如圖6-2-1所示。漸變片可以是1片也可以用多片。因為材料是有耗的，所以入射波功率被它吸收了。同時由于波是逐漸地進入有耗材料做成的尖劈中而避免了反射，因此，這種終端負載可以認為是一段有損耗的漸變傳輸線。實踐表明，劈尖做得愈長，匹配性能愈好。一般劈長取為23波導(dǎo)波長。吸收體的形狀和長度一般是由實驗確定的。我們曾用國產(chǎn)材料（WXF-5型）做過實驗，制成的終端匹配負載的性能優(yōu)良，駐波系數(shù)可達到1.01以下。駐波比的測量（轉(zhuǎn)） 52RD.com半波對稱振子與饋線的匹配52RD.com一般的接收設(shè)備(如電視機其輸入特性阻抗為75(不平衡式或

12、300平衡式,半波對稱振子的輸出是:阻抗為75平衡式,如與300平衡電纜連接則只需考慮阻抗匹配就可以了,我們可利用傳輸線上距終端/4奇數(shù)倍處的等效阻抗等于傳輸線特性阻抗的平方除以終端負載這一特殊性質(zhì)來進行阻抗匹配,這一特性的數(shù)學(xué)表達式 Zin=Z0*Z0/ZL,式中Z0是傳輸線(匹配電纜的特性阻抗,Zin為天線的輸出阻抗,ZL為負載(接收設(shè)備的輸入阻抗阻抗,半波對稱振子與300平行電纜的配接計算如下:先按上式計算出所需電纜的特性阻抗,也即要實現(xiàn)半波對稱振子與300平行電纜的配接它們之間必須要插入一條/4長,特性阻抗為150的平行電纜,為此,我們利用兩條/4長的300平行電纜并聯(lián)即可,接法如圖x

13、。思維稿 52RD.com52RD.com52RD.com半波折合振子52RD.com 折合振子天線在實際使用中,饋電振子一般都是采用折合振子的形式,其主要目的是增加天線的帶寬,折合振子的結(jié)構(gòu)形成如圖jk所示,這種天線的頻帶特性可以這樣來證明:折合振子作為一偶極天線來說,可看作是兩個/4的短路線相串聯(lián),對于諧振頻率波長L=/4,偶極天線與短路線都沒有電抗成分,當(dāng)加到折合振子上高頻電流的頻率在一定范圍變化時,出現(xiàn)以下2種情況:當(dāng)頻率高于諧振頻率時,相當(dāng)于L/4,偶極天線近似長于/4的短路線,其電抗是感性,而此時短路線的電抗是容性,當(dāng)頻率低于諧振頻率時,相當(dāng)于L/4,偶極天線近似于/4的開路線,其

14、電抗是容性,而此時短線上的電抗又是感性;故當(dāng)工作頻率了生偏移時,在一定頻率范圍內(nèi),折合振子上呈現(xiàn)的感抗與容抗可以互相補償,使天線在較寬的頻率范圍內(nèi)其阻抗特性的變化不大,這就是折合振子具有較寬頻帶的原理。 52RD.com 由于折合振子兩平行導(dǎo)體具有相位相同,大小相等的電流(即I1=I2所以其輻射電流為I=I1+I2=2I1,其輻射功率為P=I*I*Rr=(2I1*（2I1）*Rr(Rr為半波振子的輸入阻抗在折合振子的饋電端的輸入功率P =4*I1*I1*Rr= (Rin是折合振子的輸入阻抗由于在饋電端輸入的電流實際上為I, 所I=I1,所以Rin=4Rr=473.1=300這里我們得到了折合振

15、子輸入阻抗是300.是對稱半波振子輸入阻抗的4倍。為了解決與75同軸電纜與天線振子的聯(lián)接,采用長度為/2的同軸線做成的相位,阻抗變換裝置,即常叫的U形環(huán),可以解決以上兩個問題.U形環(huán)的結(jié)構(gòu)圖jk2如下所示.52RD.com從圖可知,饋電時B點電流經(jīng)過U形環(huán)后,與A點的電流相位差為(180度,U形環(huán)的外導(dǎo)體組成了/4的短路線, 使得在A,B點上的阻抗為無窮大,因而外導(dǎo)體上的電流就不會由內(nèi)表壁流向外表壁到地了,并且U形環(huán)還起到了阻抗變換的作用,如果在同軸線芯線上的輸入電流為I1,輸入電壓為V1,則天線兩振子上的輸入電流分別為I1,而同軸線外導(dǎo)體是接地的,所以A,B兩點各自對地的電壓都是V1,且A,

16、B兩點電壓為反相,故此A,B兩點間的電壓為VA+VB=2V1,在饋電點呈現(xiàn)的阻抗為:R=4V1/I1即采用U形環(huán)后,使饋線與天線接觸點的阻抗提高了四倍,若采用特性阻抗為75的同軸線饋電,則在饋電點的阻抗為754=300,與折合折子能達到較好的匹配.思維稿 52RD.com多元折合振子天線52RD.com半波振子天線和折合振子天線的增益低,波瓣寬,前方和后方具有相同的接收能力,所以它們只適用于信號強,干擾小的地方,當(dāng)接收點離電視臺較遠,信號較弱或信號較強但干擾較大反射波影響較嚴重時,就要采用多元高增益定向天線了,這就是多元振子天線,又叫八木天線,在有源 振子的后面加上反射器,前面加上引向器,就構(gòu)

17、成多元振子天線,引向振子,反射振子與有源振子加起來的數(shù)目就是天線的單元數(shù).52RD.com多元振子天線的后方波瓣消失,前方靈敏度大大提高,原理如下:52RD.com1.反射器對前方P點和后方Q點來的信號的作用52RD.com右圖中的有源振子工作在諧振狀態(tài), 其阻抗為純電阻,反射器則用長度比有振子長5%-15%,而呈現(xiàn)感性.設(shè)反射器與有源振子相距/4,從天線前方的P點來的電磁波先到達有源振子,并使之產(chǎn)生感應(yīng)電勢e1,感應(yīng)電流I1.電磁波再經(jīng)過/4的途經(jīng)才到達反射器,并使之產(chǎn)生感應(yīng)電勢e2和感應(yīng)電流I2.由于反射器與有源振子在空上相差/4的路程,所以e2比e1落后90,而I2又由于反射器呈現(xiàn)感性而

18、比e2落后90,故I2比e1落后180,反射器電流I2產(chǎn)生的輻射場到達有源振子形成的磁場H2又比I2落后90,即H2比e1落后270.根據(jù)電磁感應(yīng)定律,H2在有源振子里產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e1-2比H2落后90,結(jié)果e1-2比e1落后360,也就是說反射器在有源振子所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e1-2和原振子的感應(yīng)電勢e1是同相的,天線輸出電壓是等于e1與e1-2之和,可見反射器使天線接收前主信號的靈敏度提高了,根據(jù)類似的推導(dǎo)可知:反射器對后方Q點來的信號有抵消輸出的作用.52RD.com2.引向器的作用52RD.com引向器比有源振子短5%-10%,其阻抗呈電容性,假設(shè)引向器與有源振子間的距離也是/4,用同樣

19、的方法可以推導(dǎo)出下述結(jié)論:引向器對前方來的信號起著增強天線輸出信號作用.52RD.com綜上所述,反射器起著消除天線方向圖后瓣的作用,反射器和引向器都具增強天線前方靈敏度的作用。 思維稿52RD.com業(yè)余制作拋物面天線的要點-拋物面天線的F/D與饋源的輻射方向角Q的關(guān)系52RD.comF/D（F是拋物線的焦點，D是拋物線的口徑）與饋源的方向角Q是從屬關(guān)系，也就是說只有饋源的方向角確定以后才能確定你所要制作的拋物面天線的直徑及焦距。作為一個業(yè)余愛好者只知道F/D=0.3-0.5是不夠的，如何才能使一條天線與饋源的配套即采用合適的F/D，這個問題很重要，它直接影響天線系統(tǒng)的效率及信噪比等。圖1-

20、1所示Q是饋源所固有的，饋源確定了，Q也就確定了。52RD.com制作天線首先要決定饋源，只有饋源的方向角為已知，才能按不同的F/D制作不同直徑的天線，而不應(yīng)制作好了天線以后才制作饋源，因為這樣一來很難達到理想的效果，必定產(chǎn)生如圖1-2或圖1-3的情況。圖1-2的情況會使地面反射的雜波進入饋源，而且天線邊緣的微波和繞射波也會進入饋源，使得天線接收系統(tǒng)的信噪比減小。圖1-3的情況則會使天線的利用率降低造成人為的浪費而且信號的旁瓣也同時進入了饋源。F/D與Q的關(guān)系是：F/D=1/4*Ctg Q/2。52RD.com所以先有饋源方向角再根據(jù)你所要制作多少直徑的天線而后確定F=D*（1/4*Ctg Q

21、/2），然后根據(jù)拋物線方程：X=Y*Y/4F繪制出模。52RD.com拋物線天線的口徑可用下式計算：52RD.com52RD.com饋源的方向角（Q）100度120度160度180度52RD.com天線的效率（K）70%60%55%50%52RD.com52RD.com一般的折合半波振子饋源（帶后反射器）和螺旋饋源的方向角是100度左右。思維稿52RD.com十字型發(fā)射天線的配接52RD.com在一些中小功率的高頻發(fā)射設(shè)備中，通常都采用多層十字型半波折合振子發(fā)射天線。這種天線的特點是結(jié)構(gòu)簡單架設(shè)方便，其缺點是增益較低且?guī)捪鄬^窄，在這里以雙層十字型天線為例說明一下其配接原理。圖1為此種天線的

22、結(jié)構(gòu)圖，我們知道一個半波振子的輸入租抗為平衡式300歐，而發(fā)射設(shè)備的輸出阻抗常為50歐不平衡式，所以首先要將折合振子的300歐平衡變換成75歐不平衡式（變換原理可參考我以前所發(fā)表的有關(guān)文章），然后將兩條長度為（波長）的75歐同軸電纜（稱分饋線）將上下兩層?xùn)|西向的振子和用兩條長度為+/4的75歐電纜將上下兩層中南北向的振子聯(lián)結(jié)成一個節(jié)點1（如圖2所示），節(jié)點1的阻抗為75/4=18.75歐，由于發(fā)射設(shè)備的輸出阻抗為50歐，所以還必須進行阻抗變換，我們利用 這個公式進行計算，式中Z0為所需的/4長度的匹配電纜特性阻抗，Z1為節(jié)點1的阻抗，Z2為發(fā)射設(shè)備的輸出阻抗（節(jié)點2）。計算得 為此我們可以用一

23、條長度為/4的50歐電纜和一條同樣長度的75歐電纜并聯(lián)來近似代替。52RD.com為何東西向和南北向的分饋線要相差/4呢？這是為了在水平面內(nèi)使電磁波得到均勻的輻射，如分饋線的長度一樣其在水平面內(nèi)的輻射圖如圖3，從圖中可見其輻射場在西南，東北，東南，西北的方向上是較弱的，如果南北向的振子與東西向的振子在饋電上相差/2的相位，那末其形成的輻射場是一個旋轉(zhuǎn)磁場，其輻射圖如圖4所示，從圖中可見輻射場在全方位上都比較均勻了。根據(jù)傳輸線的原理要產(chǎn)生/2的相位差只需將某一方向上（如南北向）的分饋線增加/4就可以了，這就是為何南北向和東西向分饋線相差/4的原因。思維稿52RD.com52RD.com52RD.

24、com52RD.com52RD.com天線駐波比的測量方法52RD.com在天線系統(tǒng)中，天線與設(shè)備配接是否良好我們常常用一個稱為駐波比的參數(shù)對其衡量，當(dāng)駐波比為1的時，表示此天線系統(tǒng)匹配良好沒有反射，如此數(shù)越大則意味著匹配狀況越差，系統(tǒng)中存在越大的反射波。那末如何測量天線的駐波比呢？在這里我向大家介紹一種較為簡易的辦法。52RD.com要測量駐波比需要一臺掃頻儀，接法如圖2-1，先將饋線的終端（近天線系統(tǒng)一端）短路，此時由于掃頻儀輸出的信號在饋線的終端形成全反射，觀察其全反射波形如圖2-2曲線的最大幅度為a，然后將天線接入饋線的終端，此時掃頻儀上在工作頻率范圍內(nèi)觀察到的最大幅度為b如圖2-3，

25、先求出反射系數(shù)P=b/a，然后可用式S=1+P/1-P求出駐波比，式中的S表示駐波比。思維稿52RD.com電纜的電長度52RD.com在傳輸線中常用一個稱為電長度的參數(shù)（單位：MHZ）來衡量電纜的電氣性能。工廠生產(chǎn)電纜時，因為制造工藝的關(guān)系，使得每一批的電纜的電氣指標(biāo)都存在著差別，比如同是一段物理長度一樣的兩條電纜，對同一個高頻信號來說它反映的電性能就不一樣，因此就引入了一個電長度的概念。它反映了在一段單位物理長度內(nèi)，電纜對某一頻率信號所表現(xiàn)出來的特性。在制作發(fā)射天線的饋電系統(tǒng)中，此項參數(shù)尤為重要。例如在我發(fā)表的“雙層十字型發(fā)射天線的配接”一文中的各分饋電纜，在物理長度一樣但電長度不一樣的情

26、況下，分饋線的實際阻抗就會產(chǎn)生偏移且會引起附加相移，使得整個天線系統(tǒng)難以做到很好的配接。52RD.com那么如何去檢測一段電纜的電長度呢？具體方法是這樣的，例如發(fā)射天線工作的中心頻率為F，其對應(yīng)的波長為，截取一根物理長度為/2的電纜將它的終端短路，使它對信號形成全反射，用掃頻儀進行測試，調(diào)節(jié)掃頻儀輸出的中心頻率使掃頻儀屏幕上產(chǎn)生一個下陷的波形（如圖L所示），這個下陷波就是電纜的反射波形。從長線理論中我們知道，終端短路的傳輸線對于某一頻率信號來說，離終端/2處，它的反射波電流幅值最大，所以此時圖中的A點（即波峰處所對應(yīng)的頻率）就是這根電纜的電長度。如A點處的頻標(biāo)所指示的頻率等于F，就說明此電纜的電氣性能達標(biāo)，如不等F，則說明電纜的電氣性能存在著差異，如用此電纜作天線系統(tǒng)的分饋線時，就必須要對其（物理長度）進行修正。52RD.com對于特性相同的電纜來說，當(dāng)它的物理長度相同時，它們的電長度也相同；當(dāng)它的特性不等時，電纜的物理長度相同而它們的電長度不相同，所以我們可以用電長度這個指標(biāo)來衡量電纜性能的一致性。思維稿52RD.com定向耦合器52RD.com在很多高頻發(fā)射設(shè)備中，常在末級功放至發(fā)射天線的通路中插入一個定向耦合器來測量發(fā)射設(shè)備的發(fā)射功率或測量天線的反射功率，下面我介紹一下這種定向耦合器的工作原理。52RD.com如圖X是定