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天线基本知识字号: 小 中 大 |打印发布:2008-2-1620:54 __:web__ster 来源:____ 查看:3次0J`J.`jO4}3e
6.
1.3天线方向性的讨论U}9C9M|p1天线方向性1eOey5]o4}W发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去,基本功能之二是把大部微波技术网hF%|d.CoW:u8X分能量朝所需的方向辐射垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图(图
1.
3.1a)立体方向图虽然立体感强,但绘制困难,图
1.
3.1b与图
1.
3.1c给出了它的两个主平面方向图,平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性从图
1.
3.1b可以看出,在振子的轴线方向上辐射为零,最大辐射方向在水平面上;而从图
1.
3.1c可以看出,在水平面上各个方向上的辐射一样大微波技术网1m2天线方向性增强微波技术网:z[u3lC‑wPvH若干个对称振子组阵,能够控制辐射,产生“扁平的面包圈”,把__进一步集中到在水平面方向上下图是4个半波对称振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向图和垂直面方向图E#pP3h也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向微波技术网#n/T*y8t]mw/iP平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线下面的水平面方向图说明了反射面的作用--反射面把功率反射到单侧方向,提高了增益天线的基本知识全向阵(垂直阵列不带平面反射板)微波技术网qO}K3增益微波技术网hn/^v5[dGA^;增益是指在输入功率相等的条件下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信/i{.eE.DR号的功率密度之比它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度增益显然与天线方向图有密切的关系,方向图主瓣越窄,副瓣越小,增益越高可以这样来理解增益的物理含义------为在一定的距离上的某点处产生一定大小的__$`/^Z`-r!j如果用理想的无方向性点源作为发射天线,需要100W的输入功率,而用增益为G=13dB=20的某定向天线作为发射天线时,输入功率只需100/20=5W.换言之,某天线的增益,就其最大辐射方向上的辐射效果来说,与无方向性的理想点源相比,把输入功率放大的倍数微波技术网UA_Sbru半波对称振子的增益为G=
2.15dBi;4个半波对称振子沿垂线上下排列,构成一个垂直微波技术网`@mX7hk5hxn四元阵,其增益约为G=
8.15dBidBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源微波技术网w}8GAyF如果以半波对称振子作比较对象,则增益的单位是dBd微波技术网r‑BE+iw*Im半波对称振子的增益为G=0dBd(因为是自己跟自己比,比值为1,取对数得零值);微波技术网$kOQ2M:l/{M*MK垂直四元阵,其增益约为G=
8.15–
2.15=6dB.微波技术网/g:P8{7X;W\p4波瓣宽度微波技术网b!y`0ninMp方向图通常都有两个或多个瓣,其中辐射强度最大的瓣称为主瓣,其余的瓣称为副瓣或旁瓣~!q}NS4~参见图
1.
3.4a在主瓣最大辐射方向两侧,辐射强度降低3dB(功率密度降低一半)的两点间的夹角定义为波瓣宽度(又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角)波瓣宽度越窄,方向性越好,作用距离越远,抗干扰能力越强eqyWHc还有一种波瓣宽度,即10dB波瓣宽度,顾名思义它是方向图中辐射强度降低10dB(功率密H-l2GakdUf‑K5a}g7fm;gf5前后比4_IO+\l\+\4cB9W方向图中,前后瓣最大值之比称为前后比,记为F/B前后比越大,天线的后向辐射微波技术网aA:up^pa(或接收)越小前后比F/B的计算十分简单---F/B=10Lg{(前向功率密度)/(后向功率密度)}‑z‑IA$Da对天线的前后比F/B有要求时,其典型值为(18---30)dB,特殊情况下则要求达b3IBXRv/Y微波技术网o^A/ihSa%vU6天线增益的若干近似计算式rLM+_VMzp!lZq1)天线主瓣宽度越窄,增益越高对于一般天线,可用下式估算其增益N*qL!ECG(dBi)=10Lg{32000/(2θ3dBE×2θ3dBH)}微波技术网sa%CPJ!njmA2X9X式中,2θ3dBE与2θ3dBH分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度;d$K$L{5G!Bj32000是统计出来的经验数据微波技术网EB1_0SMJZbt2uI2)对于抛物面天线,可用下式近似计算其增益hqjf4}G(dBi)=10Lg{
4.5×(D/λ0)2}微波技术网oT]Up-s式中,D为抛物面直径;微波技术网\%]s9lWPoUλ0为中心工作波长;6P9YcZKpbOXV
4.5是统计出来的经验数据zdW/XVf8天线的下倾微波技术网\;Pw!ak`RC5`为使主波瓣指向地面,安置时需要将天线适度下倾微波技术网iPwm:Z0q[6Vy4W
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1.4天线的极化微波技术网!f%yw8e/d`M.i天线向周围空间辐射电磁波电磁波由电场和磁场构成人们规定电场的方向就是微波技术网Ec]P2iK微波技术网0N\2Wst2极化损失微波技术网W1^hK;+F2io\垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收,水平极化波要用具有水平极化特性的天线微波技术网;Wme9VpUmB$|N来接收右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收,而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收%n;DJn__5[6}当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时,接收到的__都会变小,也就是说,发生微波技术网7j.{e-F8o%D‑H*n极化损失例如当用+45°极化天线接收垂直极化或水平极化波时,或者,当用垂直极化天线接收+45°极化或-45°极化波时,等等情况下,都要产生极化损失用圆极化天线接收任一线极化波,或者,用线极化天线接收任一圆极化波,等等情况下,也必然发生极化损失------只能接收到来波的一半能量3s/O*I_STLg当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时,例如用水平极化的接收天线接收垂直极化‑L@shl@`的来波,或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波时,天线就完全接收不到来波的能量,这种情况下极化损失为最大,称极化完全隔离8m#MS.Y{E:fB]3u3极化隔离@tj定义天线输入端__电压与__电流之比,称为天线的输入阻抗输入阻抗具有电微波技术网7@2A8QTWgXPh阻分量Rin和电抗分量Xin,即Zin=Rin+jXin电抗分量的存在会减少天线从馈线对__功率的提取,因此,必须使电抗分量尽可能为零,也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻事实上,即使是设计、调试得很好的天线,其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值微波技术网/]D%cxI[4L;N输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关,半波对称振子是最重要的基本天线,其输km#_Ct入阻抗为Zin=
73.1+j
42.5欧当把其长度缩短(3~5)%时,就可以消除其中的电抗分量,使天线的输入阻抗为纯电阻,此时的输入阻抗为Zin=
73.1欧(标称75欧)微波技术网1t‑C[0C!s注意,严格的说,纯电阻性的天线输入阻抗只是对点频而言的微波技术网8~$J6yrk@qscj顺便指出,半波折合振子的输入阻抗为半波对称振子的四倍,即微波技术网‑Xm_R2Vs2IaCZin=280欧(标称300欧)微波技术网NJ7q*RL9NMO有趣的是,对于任一天线,人们总可通过天线阻抗调试,在要求的工作频率范围内,使输入阻d}`87[抗的虚部很小且实部相当接近50欧,从而使得天线的输入阻抗为Zin=Rin=50欧------这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须的微波技术网QY~ulz@.]
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1.6天线的工作频率范围(频带宽度)L-u*r7^‑yPVHI7Wm无论是发射天线还是接收天线,它们总是在一定的频率范围(频带宽度)内工作的,天线的频微波技术网-sR#_3SU\3八木定向天线.D;Avd+S5Zhz八木定向天线,具有增益较高、结构轻巧、架设方便、__便宜等优点因此,它特别适用于点对点的通信,例如它是室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型\_Q@g1x{7ye$八木定向天线的单元数越多,其增益越高,通常采用6---12单元的八木定向天线,其增益微波技术网Vz];jajL*HL[%^\9dk8CSy$I*]bf5室内壁挂天线微波技术网!}‑h9TrMx`室内壁挂天线同样必须具有结构轻巧、外型美观、__方便等优点+q!Tv!nf$^/GYmB微波技术网!w`KI$A__fBy
6.2电波传播的几个基本概念微波技术网2M8S+FrK3o@目前G__和CD____通信使用的频段为#huLM$~}R{G____0---960MHz,1710---1880MHz微波技术网0hHk6hq%|uCD__:806---__6MHzR9B1CD@`aCd806---960MHz频率范围属超短波范围;1710---1880MHz频率范围属微波范围i-Armn3tn电波的频率不同,或者说波长不同,其传播特点也不完全相同,甚至很不相同微波技术网‑g*|Y`hDJ%
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2.1自由空间通信距离方程#nRYTTnsa9w+设发射功率为PT,发射天线增益为GT,工作频率为f.接收功率为PR,接收天线增益为GR,收、发天线间距离为R,那么电波在无环境干扰时,传播途中的电波损耗L0有以下表达式微波技术网5GU+~B[X1`L0dB=10Lg(PT/PR).Q+]]#w]‑l;O=
32.45+20LgfMHz+20LgRkm-GTdB-GRdB微波技术网Xo9@MyY[举例]设PT=10W=40dBmw;GR=GT=7dBi;f=1910MHz微波技术网+t!s5yqv{J#C7r问R=500m时,PR=?t_m8j2q}Jg解答1L0dB的计算[px6op3uKP*j%K7pL0dB=
32.45+20Lg1910MHz+20Lg
0.5km-GRdB-GTdB微波技术网OGdB4Iy6Iw=
32.45+
65.62-6-7-7=
78.07dBY-Ji-A5kOg
(2)PR的计算X\Gfw;qMPR=PT/
107.807=10W/
107.807=1μW/
100.807微波技术网gg6F-GwU=1μW/
6.412=
0.156μW=156mμW#微波技术网[SM`.s顺便指出,
1.9GHz电波在穿透一层砖墙时,大约损失10---15dBR+C考虑到大气层对电波的折射作用,极限直视距离应修正为Zuw5AtR__x=
4.12{√HTm+√HRm}km微波技术网KS%vgUe由于电磁波的频率远低于光波的频率,电波传播的有效直视距离Re约为极限直视距离R__x微波技术网ct6`*h\7c的70%,即Re=
0.7R__x.微波技术网O1H5D\#{z.r例如,HT与HR分别为49m和
1.7m,则有效直视距离为Re=24km.微波技术网3[M~6j|WEY
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2.3电波在平面地上的传播特征微波技术网G7t9P9\`UkD由发射天线直接射到接收点的电波称为直射波;发射天__出的指向地面的电波,被地面反射而到达接收点的电波称为反射波显然,接收点的__应该是直射波和反射波的合成电波的合成不会象1+1=2那样简单地代数相加,合成结果会随着直射波和反射波间的波程差的不同而不同微波技术网{*o0S3NTcon/j!k波程差为半个波长的奇数倍时,直射波和反射波__相加,合成为最大;波程差为一个波长的倍数时,直射波和反射波__相减,合成为最小可见,地面反射的存在,使得__强度的空间分布变得相当复杂u^0Z[z0|5_e实际测量指出在一定的距离Ri之内,__强度随距离或天线高度的增加都会作起伏变化;微波技术网XlPOh$GTp\*w在一定的距离Ri之外,随距离的增加或天线高度的减少,__强度将单调下降理论计算给出了这个Ri和天线高度HT与HR的关系式Ri=(4HTHR)/l,l是波长[Jh!L`EMZ不言而喻,Ri必须小于极限直视距离R__x微波技术网*H__8v}Rj.]/Jv
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2.4电波的多径传播微波技术网mS0qeae!ovb在超短波、微波波段,电波在传播过程中还会遇到障碍物例如楼房、高大建筑物或山丘等对电波产生反射因此,到达接收天线的还有多种反射波(广意地说,地面反射波也应包括在内),这种现象叫为多径传播7C;o2_n2Gk;tp由于多径传输,使得__场强的空间分布变得相当复杂,波动很大,有的地方__场强增强,2S:ww8DkI#Yf有的地方__场强减弱;也由于多径传输的影响,还会使电波的极化方向发生变化另外,不同的障碍物对电波的反射能力也不同例如____建筑物对超短波、微波的反射能力比砖墙强我们应尽量克服多径传输效应的负面影响,这也正是在通信质量要求较高的通信网中,人们常常采用空间分集技术或极化分集技术的缘由微波技术网gD1Xl$jfo
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2.5电波的绕射传播r-AB-{iI\0s;m1qA在传播途径中遇到大障碍物时,电波会绕过障碍物向前传播,这种现象叫做电波的绕射超短bUas\`;a5l+{l波、微波的频率较高,波长短,绕射能力弱,在高大建筑物后面__强度小,形成所谓的“阴影区”__质量受到影响的程度,不仅和建筑物的高度有关,和接收天线与建筑物之间的距离有关,还和频率有关例如有一个建筑物,其高度为10米,在建筑物后面距离200米处,接收的__质量几乎不受影响,但在100米处,接收__场强比无建筑物时明显减弱注意,诚如上面所说过的那样,减弱程度还与__频率有关,对于216~223兆赫的射频__,接收__场强比无建筑物时低16dB,对于670兆赫的射频__,接收__场强比无建筑物时低20dB.如果建筑物高度增加到50米时,则在距建筑物1000米以内,接收__的场强都将受到影响而减弱也就是说,频率越高、建筑物越高、接收天线与建筑物越近,__强度与通信质量受影响程度越大;相反,频率越低,建筑物越矮、接收天线与建筑物越远,影响越小微波技术网}Ky5VEFAF+O!R因此,选择基站场地以及架设天线时,一定要考虑到绕射传播可能产生的各种不利影响,注意到对绕射传播起影响的各种因素/hHGTBd4O
6.3传输线的几个基本概念微波技术网k{NB1_ESD@*gYn连接天线和发射机输出端(或接收机输入端)的电缆称为传输线或馈线传输线的主要任务是S9bHF1]:vF有效地传输__能量,因此,它应能将发射机发出的__功率以最小的损耗传送到发射天线的输入端,或将天线接收到的__以最小的损耗传送到接收机输入端,同时它本身不应拾取或产生杂散干扰__,这样,就要求传输线必须屏蔽*o`F_9b9f顺便指出,当传输线的物理长度等于或大于所传送__的波长时,传输线又叫做长线微波技术网%sT6siN;W4I
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3.1传输线的种类微波技术网Yf/b|A#M{k超短波段的传输线一般有两种平行双线传输线和同轴电缆传输线;微波波段的传输线有微波技术网p/OC;AL5ajj|同轴电缆传输线、波导和微带平行双线传输线由两根平行的导线组成它是对称式或平衡式的传输线,这种馈线损耗大,不能用于UHF频段同轴电缆传输线的两根导线分别为芯线和屏蔽铜网,因铜网接地,两根导体对地不对称,因此叫做不对称式或不平衡式传输线同轴电缆工作频率范围宽,损耗小,对静电耦合有一定的屏蔽作用,但对磁场的干扰却__为力使用时切忌与有强电流的线路并行走向,也不能靠近低频__线路微波技术网9UR:o_cIy
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3.2传输线的特性阻抗微波技术网SY6D`r:F~jk无限长传输线上各处的电压与电流的比值定义为传输线的特性阻抗,用Z0表示%kBS-i+z8fNy同轴电缆的特性阻抗的计算公式为微波技术网7DScY]KUZ=〔60/√εr〕×LogD/d[欧]微波技术网!@#UxI^式中,D为同轴电缆外导体铜网内径;微波技术网py@`B|d为同轴电缆芯线外径;微波技术网}/T5HcCZk}2q\Uεr为导体间绝缘介质的相对介电常数微波技术网-FGfp-G.zX通常Z0=50欧,也有Z0=75欧的微波技术网.wafr+Q]#AF由上式不难看出,馈线特性阻抗只与导体直径D和d以及导体间介质的介电常数εr有关,而与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗无关微波技术网dof%Iwi
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3.3馈线的衰减系数z#wbW1wgQ__在馈线里传输,除有导体的电阻性损耗外,还有绝缘材料的介质损耗这两种损耗随馈线;DkX;W‑s%@3h*w长度的增加和工作频率的提高而增加因此,应合理布局尽量缩短馈线长度4uw#GS1N}0XR单位长度产生的损耗的大小用衰减系数β表示,其单位为dB/m(分贝/米),电缆技术说明书上的单位大都用dB/100m(分贝/百米).微波技术网|‑k$g#b`设输入到馈线的功率为P1,从长度为L(m)的馈线输出的功率为P2,传输损耗TL可表示为TL=10×LgP1/P2dB微波技术网}#HspW衰减系数为β=TL/LdB/m微波技术网2dw`p$Gi例如,NOKIA7/8英寸低耗电缆,900MHz时衰减系数为β=
4.1dB/100m,也可写成β=3dB/73m,也就是说,频率为900MHz的__功率,每经过73m长的这种电缆时,功率要少一半z8CiRjaTvo而普通的非低耗电缆,例如,SYV-9-50-1,900MHz时衰减系数为β=
20.1dB/100m,也可写成β=3dB/15m,也就是说,频率为900MHz的__功率,每经过15m长的这种电缆时,功率就要少一半!微波技术网\8X;usUD
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3.4匹配概念微波技术网RaVka%^Pe什么叫匹配?简单地说,馈线终端所接负载阻抗ZL等于馈线特性阻抗Z0时,称为馈线终9L3C`guY端是匹配连接的匹配时,馈线上只存在传向终端负载的入射波,而没有由终端负载产生的反射波,因此,当天线作为终端负载时,匹配能保证天线取得全部__功率如下图所示,当天线阻抗为50欧时,与50欧的电缆是匹配的,而当天线阻抗为80欧时,与50欧的电缆是不匹配的微波技术网]six.N^9lM如果天线振子直径较粗,天线输入阻抗随频率的变化较小,容易和馈线保持匹配,这时天线的GVP%d@4Tb:a#t工作频率范围就较宽反之,则较窄微波技术网~qg*}V2OeI#JF在实际工作中,天线的输入阻抗还会受到周围物体的影响为了使馈线与天线良好匹配,在架微波技术网v%Z4w6D7G0P#VI!H5K设天线时还需要通过测量,适当地调整天线的局部结构,或加装匹配装置![-bR+E‑ar@{6w\8\
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3.5反射损耗EvCy@FF7Bg7J前面已指出,当馈线和天线匹配时,馈线上没有反射波,只有入射波,即馈线上传输的只是微波技术网5Y%{B|!rNA*[Ef向天线方向行进的波这时,馈线上各处的电压幅度与电流幅度都相等,馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗GOJ/jg`而当天线和馈线不匹配时,也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时,负载就只能吸收馈线上传0dC
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3.6电压驻波比+B4QtZ0OJF在不匹配的情况下馈线上同时存在入射波和反射波在入射波和反射波相位相同的地方,电9th{0R*[~Y压振幅相加为最大电压振幅V__x,形成波腹;而在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Vmin,形成波节其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间这种合成波称为行驻波微波技术网‑Y+a-U;g:nr反射波电压和入射波电压幅度之比叫作反射系数,记为R微波技术网T4r@i0e}$} 反射波幅度(ZL-Z0)ZP8EiBOrR=─────=───────CfO*cE!\ 入射波幅度(ZL+Z0)微波技术网FIg‑l*i6v波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数,也叫电压驻波比,记为VSWR微波技术网mu{\;j 波腹电压幅度 V__x(1+R)微波技术网#AP/vS7H$VXVSWR=───────=────微波技术网3ZoIwD 波节电压辐度 Vmin(1-R)微波技术网.C*A*{k8R0T!J*F终端负载阻抗ZL和特性阻抗Z0越接近,反射系数R越小,驻波比VSWR越接近于1,匹*@‑Ai9~C.b7v6e配也就越好B7V1waMk8jx
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3.7平衡装置微波技术网;`/q:sR:p*}t79Kt微波技术网h/X3{_eKcq{:s__源或负载或传输线,根据它们对地的关系,都可以分成平衡和不平衡两类微波技术网5C@jEh|0a.ZlP若__源两端与地之间的电压大小相等、极性相反,就称为平衡__源,否则称为不平衡__微波技术网_+^|z[N#cb;K源;若负载两端与地之间的电压大小相等、极性相反,就称为平衡负载,否则称为不平衡负载;若传输线两导体与地之间阻抗相同,则称为平衡传输线,否则为不平衡传输线微波技术网7J/S[3oT+h在不平衡__源与不平衡负载之间应当用同轴电缆连接,在平衡__源与平衡负载之间应当用R*|D~;G}v:b平行双线传输线连接,这样才能有效地传输__功率,否则它们的平衡性或不平衡性将遭到破坏而不能正常工作如果要用不平衡传输线与平衡负载相连接,通常的办法是在粮者之间加装“平衡-不平衡”的转换装置,一般称为平衡变换器2Rh7A~FcgLEYU2四分之一波长平衡-不平衡器微波技术网3\u;GJdl~利用四分之一波长短路传输线终端为高频开路的性质实现天线平衡输入端口与同轴馈线不平微波技术网8Ix1whd8Z__a|衡输出端口之间的平衡-不平衡变换@v]1hM1ch。