第十五講微波通信對天線設(shè)備的要求解析課件

1、5.3微波通信對天線設(shè)備的要求5.3.1 微波通信天線及饋線系統(tǒng)形式天線的作用:把發(fā)射機的高頻能量沿指定方向以電磁波發(fā)送出去,或者把某個方向來的電磁波收取下來送進接收機。要求:具有較高的天線增益良好的天線方向性低損耗的饋線系統(tǒng)天線與饋線間優(yōu)良的匹配性能較高的極化去耦度5.3微波通信對天線設(shè)備的要求5.3.1 微波通信天線及饋線饋線的定義:指連接微波收發(fā)信設(shè)備與天線的微波傳輸線和有關(guān)的微波器件.分類:同軸電纜型和波導(dǎo)型饋線的定義:指連接微波收發(fā)信設(shè)備與天線的微波傳輸線和有關(guān)的分第十五講微波通信對天線設(shè)備的要求解析課件阻抗變換器 解決微波傳輸線與微波器件之間匹配的，在通常情況下，同軸傳輸線的阻抗為

2、75，而與饋線相連的極化分離器和波道濾波器的輸入輸出阻抗為50。為使其阻抗匹配，需采用阻抗變換器進行匹配。常用的同軸線阻抗變換器有直線漸變式和階梯式兩種。 當內(nèi)導(dǎo)體外徑d固定時，同軸線特性阻抗c與外導(dǎo)體內(nèi)徑成對數(shù)正比。因此適當選擇外導(dǎo)體的內(nèi)徑，就可以達到阻抗匹配的目的阻抗變換器 解決微波傳輸線與微波器件之間匹配的，在通常1/4波長的傳輸線有其特殊性。該傳輸線的特性阻抗為:1/4波長的傳輸線有其特殊性。該傳輸線的特性阻抗為:極化分離器 圖中為圓波導(dǎo)型極化分離器，其中一端接天線，另一端短路，與饋線相接的兩個同軸接口相互垂直，在兩接口之間安置有一塊金屬極化去耦板。在同軸線中傳播的電波是橫電磁波。其電

3、場方向與同軸線內(nèi)導(dǎo)體垂直；在圓波導(dǎo)中的電場方向必須與圓波導(dǎo)內(nèi)壁垂直；當微波信號由同軸線接口激發(fā)圓波導(dǎo)時，根據(jù)理想金屬表面電場分布邊界條件，只有垂直分量存在，因此在圓波導(dǎo)內(nèi)的電場必定與同軸線內(nèi)導(dǎo)體平行；這樣在圓波導(dǎo)上開設(shè)的同軸線接口1和2相互垂直，它們產(chǎn)生的電場在圓波導(dǎo)內(nèi)也必然垂直。極化分離器 圖中為圓波導(dǎo)型極化分離器，其中一端接天線， 極化分離器中的去耦板是為了進一步減小兩不同極化信號之間的相互串擾。極化分離器圖中去耦板為水平放置。根據(jù)金屬的邊界條件，由于水平極化波的電場方向與去耦板相平行，因此不能通過去耦板，而垂直極化波則可以通過去耦板。因此發(fā)信端口1輸出的水平極化信號將被去耦板隔離而不會傳

4、到接收端口2，從而進一步提高了收發(fā)信號之間的隔離度。 發(fā)信往往接在去耦板與天線之間的端口，即圖中的1口，而不接在2口，這是因為發(fā)信信號要比收信信號強得多，因此發(fā)在1口可以利用去耦板進行阻擋，而起到減小發(fā)信信號對收信的干擾；若放置在2則去耦板將起不到阻擋的作用。 當然若要獲得垂直極化的發(fā)信信號，而發(fā)信仍接在端口1，只需將極化分離器旋轉(zhuǎn)90即可。 為了消除極化分離器短路側(cè)的反射影響，極化分離器中應(yīng)使端口2至短路側(cè)的距離為信號中心頻率的1/4波長 極化分離器中的去耦板是為了進一步減小兩不同極化信號之天饋線的安裝檢查天饋線系統(tǒng)在安裝調(diào)試時，要嚴格按照施工調(diào)試技術(shù)規(guī)范進行。因為天饋線系統(tǒng)的安裝過程中存在

5、著隱蔽工程，隱蔽工程一旦出現(xiàn)質(zhì)量隱患，就會為以后的維護留下后患。這一階段要嚴格控制安裝調(diào)試質(zhì)量，做好以下方面的施工檢查工作：1.天線、饋線上鐵塔時不能有碰撞，防止受力變形，影響技術(shù)性能。2.按施工設(shè)計圖紙檢查天線安裝的高度和方位，各安裝部件要緊固良好。3.饋線彎曲和扭轉(zhuǎn)時，彎曲半徑和扭轉(zhuǎn)角度要符合饋線廠家要求。4.做饋線法蘭盤時，要認真仔細，不能將碎銅屑留在饋線波導(dǎo)管內(nèi)。饋線與天線連接時，接頭不能受力，要自然對接。切不可硬靠螺絲強拉硬接，以免饋線或天線饋線源長期受力而損壞。這一環(huán)節(jié)要防止質(zhì)量隱患。5.天饋線接地要可靠良好。接地裝置與鐵塔鍍鋅件連接必須先鍍錫，每條饋線要有三處接地，位置分別為天線

6、背后，饋線上鐵塔1米處和饋線進機房前。6.饋線固定要牢固，固定間距不得超出每1.2米固定一次的要求，以防止饋線長期受大風(fēng)吹刮擺動而損壞。天饋線的安裝檢查天饋線系統(tǒng)在安裝調(diào)試時，要嚴格按照施天饋線調(diào)試 1.天線方位調(diào)整：在發(fā)信端送標準電平，反復(fù)調(diào)整收發(fā)天線，使收信電平達到設(shè)計要求。2.駐波比(S)：在全頻段內(nèi)，在微波機架頂測天饋線的駐波比不應(yīng)大于1.15。如不符合指標，要檢查天饋線各接頭是否匹配良好，饋線彎曲半徑、扭轉(zhuǎn)角度是否符合要求。3.交叉極化去耦度(XPD)：這一指標對于同頻異極化復(fù)用降低交叉極化干擾具有重要作用。測試中若指標不合格可調(diào)整收發(fā)兩站天線饋源的極化方向。4.饋線衰耗：每根饋線衰

7、耗值不能高于設(shè)計值。若不合格應(yīng)檢查饋線有無碰撞受力變形，接頭是否匹配良好。若施工時環(huán)境濕度過大，要檢查饋線內(nèi)是否嚴重受潮凝水。5.充氣氣壓：充氣氣壓值為1300Kpa，經(jīng)24小時后不低于1100Kpa。否則要檢查天饋線密封是否良好，充氣機工作是否正常。天饋線調(diào)試 1.天線方位調(diào)整：在發(fā)信端送標準電平，天饋線系統(tǒng)故障處理在多波道共用天饋線系統(tǒng)的微波中繼通信電路中，天饋線系統(tǒng)故障主要有兩個特征。一是，故障時共用天饋線系統(tǒng)的各個波道同時出現(xiàn)相同的故障現(xiàn)象。二是，天饋線系統(tǒng)故障在電路中表現(xiàn)為收信電平下降和電路噪聲升高。 常見故障有：天線方位偏移；饋線碰撞變形；密封不嚴進水；極化去耦度下降等。隨著微波通

8、信向無人值守的發(fā)展，網(wǎng)管系統(tǒng)對電路中的設(shè)備和電路質(zhì)量等都提供了功能強大的監(jiān)控管理，可將天饋線系統(tǒng)納入監(jiān)控管理。 根據(jù)實際需要，在天饋線系統(tǒng)中設(shè)置兩個監(jiān)測點。一是充氣部分，實現(xiàn)這一點較為容易，因為充氣機帶有遙信接口可將充氣氣壓變化情況傳送到網(wǎng)管系統(tǒng)；二是天線方位，實際維護中這也是較易出故障的部位?？梢酝ㄟ^對共用天饋線系統(tǒng)各波道收信電平進行檢測，設(shè)置收信電平與天線方位對應(yīng)關(guān)系，間接的反映天線方位有關(guān)情況。天饋線系統(tǒng)故障處理在多波道共用天饋線系統(tǒng)的微波中繼通5.3.2 微波天線的技術(shù)要求發(fā)射天線:把饋線送來的微波信號能量轉(zhuǎn)換為電磁波能量接收天線:把空間電磁波能量轉(zhuǎn)換為電流能量，所以,發(fā)射和接收是可逆

9、的物理過程,一個天線既可作為發(fā)射天線又可作為接收天線。*天線的電指標1 、天線的方向圖繪制方向性函數(shù)的曲線圖就是天線方向圖.5.3.2 微波天線的技術(shù)要求發(fā)射天線:把饋線送來的微波信號 方向性函數(shù):對于固定的距離,某方向上的電場強度的大小 與最大輻射方向的電場強度 的比值就是方向性函數(shù) 方向性函數(shù):對于固定的距離,某方向上的電場強度的大小工程上常用的方向圖是天線在兩個主平面內(nèi)的方向圖工程上常用的方向圖是天線在兩個主平面內(nèi)的方向圖復(fù)合振子單元示意圖1平面電單極子 2磁振子 3金屬圓盤 A、B、C縫隙 L電單極子的高度側(cè)視圖 前視圖 調(diào)節(jié)長度L, 使得磁流和電流之間的相移最佳。 選擇槽2和單極子1

10、的幾何尺寸來滿足電流和磁流矩之間所需的關(guān)系。 調(diào)節(jié)單極子和金屬板間的縫隙寬度A、B和C，產(chǎn)生最佳的通頻帶和強電磁輻射。 復(fù)合振子單元示意圖1平面電單極子 2磁振子 3金屬圓盤 復(fù)合振子天線單元在兩個主平面內(nèi)對最大值歸一化后的輻射方向圖 方向圖的對稱與否是由天線的偏饋結(jié)構(gòu)所決定的,天線的饋源位于天線的下方,因此E面方向圖不對稱是必然的結(jié)果復(fù)合振子天線單元在兩個主平面內(nèi)對最大值歸一化后的輻射方向圖 2方向圖的波瓣寬度波瓣圖:天線的方向圖又叫波瓣圖.主瓣:最大輻射方向的波瓣后瓣:背向最大輻射方向的波瓣旁瓣(副瓣):其它方向的波瓣2方向圖的波瓣寬度波瓣圖:天線的方向圖又叫波瓣圖.主瓣:最大 常用指標:

11、主瓣寬度,副瓣電平和后瓣電平主瓣寬度:指在主瓣最大值兩側(cè)功率密度等于最大值 的兩個方向間的夾角,記為 或也可用主瓣兩側(cè)的零輻射方向間的夾角表達主瓣寬度,記為 或 . 3 副瓣與近場隔離第一副瓣電平:靠近主瓣的副瓣,其最大值與主瓣最大值之比的分貝數(shù).常用指標:主瓣寬度,副瓣電平和后瓣電平主瓣寬度:指在主瓣最大俄羅斯“貝殼”連續(xù)波低空補盲雷達一種低空雷達垂直波瓣寬度展寬的方法俄羅斯“貝殼”連續(xù)波低空補盲雷達一種低空雷達垂直波瓣寬度展寬有兩路獨立的收發(fā)通道存在垂直探測波瓣較窄的問題有兩路獨立的收發(fā)通道第十五講微波通信對天線設(shè)備的要求解析課件第十五講微波通信對天線設(shè)備的要求解析課件第十五講微波通信對天

12、線設(shè)備的要求解析課件一般,要求副瓣和后瓣盡可能小,用近場隔離度表達,分以下幾種情況:當發(fā)射天線和接收天線背對背掛置時,其中發(fā)射天線發(fā)射的信號能量會被接收天線收到一部分,這部分能量與發(fā)射天線發(fā)射的總能量之比稱為背背隔離度,一般要求在-80dB- -90dB以上.當發(fā)射天線和接收天線肩并肩地掛在一起,接收天線同樣會從發(fā)射天線發(fā)射信號能量中收到一部分能量,這部分能量與發(fā)射天線發(fā)射的總能量之比稱為肩肩隔離度,一般要求在-70dB- -80dB以上一般,要求副瓣和后瓣盡可能小,用近場隔離度表達,當發(fā)射天線和接收天線從正前方接收電磁波的能力與從其后方接收電磁波的能力之比稱為前后比,一般要求在50dB以上雙

13、極化天線能同時接收(或發(fā)射)兩個極化方向互相正交的電磁波.系統(tǒng)對兩種極化分量接收量之比(或發(fā)射量之比)稱為極化隔離度.一般要求極化隔離度在2535dB以上接收天線從正前方接收電磁波的能力與從其后方雙極化天線能同時接背靠背鄰近拋物面天線之間的耦合1.求出由拋物面B的饋源入射并與拋物面B的邊緣相切的電場和磁場分量。2. 求出與拋物面A邊緣相切的電磁場分量。如利用幾何繞射理論3. 確定圍繞拋物面A邊緣流動的等效邊緣電流。4.確定由這些電流在拋物面A焦平面內(nèi)所建立的場。6.利用功率耦合公式計算由該場耦合到拋物面波導(dǎo)饋源內(nèi)的功率。背靠背鄰近拋物面天線之間的耦合1.求出由拋物面B的饋源入射并可以看出在所有

14、情況下，當它們的間隔增大時天線間的耦合值都是振蕩而遞減的，改變反射體直徑可以看出在所有情況下，當它們的間隔增大時天線間的耦合值都是振4 方向性系數(shù)為了對不同天線方向性之間作定量比較,定義方向性系數(shù):當有向天線在主射方向上與無向天線在同一距離處獲得相等場強時,無向天線所需的輻射功率與有向天線的輻射功率的比值微波通信所用的拋物面天線的D高達1031044 方向性系數(shù)為了對不同天線方向性之間作定量比較,定義方向性5 天線效率定義: 天線輻射到外部空間的功率與輸入到天線上的功率之比 微波天線的天線效率一般較大,可接近于16 增益定義:有向天線在主射方向與無向天線在同一距離處獲得相同的場強下,無向天線的

15、輸入功率與有向天線的輸入功率之比5 天線效率定義: 天線輻射到外部空間的功率與輸入到天線上的7 接收天線的有效面積定義:天線的極化與來波極化完全匹配,以及負載與天線阻抗共軛匹配的最佳狀態(tài)下,天線在最大方向所接收的功率與入射電磁波能流密度的比與增益的關(guān)系:當理想點源的G=1,它的有效面積為7 接收天線的有效面積定義:天線的極化與來波極化完全匹配,以8 輸入阻抗定義:端口上的電壓和電流的復(fù)振幅之比如果天線的輸入阻抗與饋線的特性阻抗不匹配,會在饋線中形成駐波,使饋線功率容量變小,傳輸效率降低,還會造成通信失真.衡量天線匹配性能用反射系數(shù)或駐波比表達.8 輸入阻抗定義:端口上的電壓和電流的復(fù)振幅之比如

16、果天線的輸5.3.3 微波通信天線1 拋物面天線5.3.3 微波通信天線1 拋物面天線組成:輻射源與旋轉(zhuǎn)拋物面特點:利用放置在拋物面焦點處的輻射源發(fā)射出的球面波,經(jīng)拋物面反射后形成一個聚合的波束,并向指定方向輻射電磁波.組成:輻射源與旋轉(zhuǎn)拋物面特點:利用放置在拋物面焦點處的輻射源性質(zhì):任一由焦點發(fā)出的射線經(jīng)過拋物面反射后都與拋物面軸線平行;垂直于基軸Z的平面就是經(jīng)拋物面反射后的電磁波的等相位面.性質(zhì):任一由焦點發(fā)出的射線經(jīng)過拋物面反射后都與拋物面垂直于基A是拋物面的口徑面積;F是拋物面的焦點;是拋物面的焦距;原點O是拋物面的頂點;OZ是拋物面的軸線;是拋物面的張角;2R0=D0是拋物面口面直徑

17、.A是拋物面的口徑面積;F是拋物面的焦點;是拋物面的焦距;原點口徑焦距比D0/f或口徑張角 的關(guān)系:拋物面天線增益可用天線口徑面積A表達為: 式中, 是拋物面天線的口徑利用系數(shù),定義為天線有效面積與拋物面天線口徑面積的比值,一般只能達到50%-60%拋物面天線的半功率角為:口徑焦距比D0/f或口徑張角 的關(guān)系:拋物面天線增益2 卡塞格侖天線2 卡塞格侖天線工作原理:當輻射器位于旋轉(zhuǎn)雙曲面的實焦點O2時,由O2發(fā)出的射線經(jīng)過雙曲面反射后的射線,相當于是雙曲面的虛焦點直接發(fā)射出的射線.因此,只要使雙曲面的虛焦點與拋物面的焦點相重合,就可以使副反射面反射到主反射面上的射線被拋物面反射成平面波輻射出去

18、.結(jié)構(gòu):是從拋物面天線演變而來,用一個新增加的副反射面(旋轉(zhuǎn)雙曲面)和一個輻射器代替原來的輻射器. 雙曲面的右焦點與拋物面的焦點重合,雙曲面焦軸與拋物面的焦軸重合,而輻射源位于雙曲面的左焦點.工作原理:當輻射器位于旋轉(zhuǎn)雙曲面的實焦點O2時,由O2結(jié)構(gòu):饋源的輻射方式由拋物面的前饋方式變?yōu)楹箴伔绞?使天線結(jié)構(gòu)緊湊,制作較方便.*與拋物面天線的比較:從饋源輻射看,由于饋源到主反射器的傳輸距離變長,因此饋源張角可以減小,這對于設(shè)計高性能的激勵器比較有利.它可等效為具有長焦距的拋物面天線,這種長焦距可使天線從焦點至口面各點的距離接近常數(shù),因而空間衰耗對輻射器的影響較小,使得天線的效率比標準拋物面天線更高。饋源的輻射方式由拋物面的前饋方式變?yōu)楹箴伔绞?使天線結(jié)構(gòu)緊湊5.4 收發(fā)公用器公用收發(fā)天線系統(tǒng):收發(fā)系統(tǒng)都連接到一個天線上.收發(fā)公用器分類:1 接受系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)采用同一頻段內(nèi)的兩個不同的波道,用環(huán)形器作為收發(fā)公用器2 接收系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)使用不同的頻段,用頻率分離雙工器作為收發(fā)公用器.5.4 收發(fā)公用器公用收發(fā)天線系統(tǒng):收發(fā)系統(tǒng)都連接到一個天線環(huán)形器:它使得從發(fā)送設(shè)備發(fā)射得信號進入到天線而不