1、天线工作原理lrmcumt 发表于 2006-8-8 9:41:001,VSWR(電壓駐波比 )与回损的关系1）天线工作原理及作用是什么？ 答：天线作为无线通信不可缺少的一部分，其基本功能是辐射和接收无线电波。发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时，把电滋波转换为高频电流。 （2）天线有多少种类？ 答：天线品种繁多，主要有下列几种分类方式： 按用途可分为基地台天线（base station antenna）和移动台天线（mobile portable antennas ） 按工作频段可划分为超长波、长波、中波、短波、超短波和微波； 按其方向可划分为全向和定向天线； （3）如何选择天线？ 答：天
2、线作为通信系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响通信系统的指标，用户在选择天线时必须首先注重其性能。具体说有两个方面，第一选择天线类型；第二选择天线的电气性能。选择天线类型的意义是：所选天线的方向图是否符合系统设计中电波覆盖的要求；选择天线电气性能的要求是：选择天线的频率带宽、增益、额定功率等电气指标是否符合系统设计要求。因此，用户在选择天线时最好向厂家联系咨询。 （4）什么是天线的增益？ 答：增益是天线的主要指标之一，它是方向系数与效率的乘积，是天线辐射或接收电波大小的表现。增益大小的选择取决于系统设计对电波覆盖区域的要求，简单地说，在同等条件下，增益越高，电波传播的距离越远，一般基地台天
3、线采用高增益天线，移动台天线采用低增益天线。（5）什么是电压驻波比？ 答：天线输入阻抗和馈线的特性阻抗不一致时，产生的反射波和入射波在馈线上叠加形成的磁波，其相邻电压的最大值和最小值之比是电压驻波比，它是检验馈线传输效率的依据，电压驻波比小于1.5，在工作频点的电压驻波比小于 1.2，电压驻波比过大，将缩短通信距离，而且反射功率将返回发射机功放部分，容易烧坏功放管，影响通信系统正常工作。 电压驻波比 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 传输功率% 100 99.8 99.2 96 88.9 75.0 （6）什么是天线的方向
4、性？答：天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。衡量天线方向性通常使用方向图，在水平面上，辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线，有一个或多个最大方向的天线称为定向天线。全向天线由于其无方向性，所以多用在点对多点通信的中心台。定向天线由于具有最大辐射或接收方向，因此能量集中，增益相对全向天线要高，适合于远距离点对点通信，同时由于具有方向性，抗干扰能力比较强。 （7）如何理解天线的工作频带宽度？ 答：天线的电参数一般都于工作频率有关，保证电参数指标容许的频率变化范围，即是天线的工作频带宽度。一般全向天线的工作带宽能达到工作频率范围的 3-5%，定向天线的工作带宽能达到工作
5、频率的 5-10%。 （8）如何选取电缆及电缆长度？ 答：移动通信系统常使用特性阻抗为 50欧的同轴电缆作为馈线。为了有效地把电波传输到天线接口，应尽量减小馈线的传输损耗。传输损耗取决于电缆的直径和长度，同一频率下电缆直径越大，损耗越小，电缆越长损耗越大，原则上，要求电缆的传输损耗不宜超过 3 分贝。下表列出常用电缆的衰减值（db/m），用户可根据自已情况，合理选择电缆型号及长度。 频率型号 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
6、CTC-50-12 0.040 0.060 0.105 进口 10D-FB 0.040 0.070 0.110 （9）如何选择天线安装地点？ 答：由于地形和环境的影响，天线接收到的电磁波是直射波、反射波及散射波的叠加，其结果决定了接收点处的场强幅度和相位，并直接影响天线的应用效果。因此，选择天线架设位置应注意以下几个方面： 1、 天线的发射或接收方向应避开障碍物（楼房、铁塔、桥梁等）； 2、 天线架设地点应尽量远离干扰源（高压线、航线、铁塔、公路等）； 3、 天线应尽量架设在附近的制高点： 4、 如有几付天线同在一个铁塔上工作，应特别注意它们之间的左右和上下的间距，以防相互耦合影响系统性能。
7、（10）天馈系统应如何安装？ 答：首先将天线、馈线和配套零部件按产品说明的要求组装好，然后在天线的支撑位置，用卡具固定于塔杆的天线支架上，并使天线与塔杆的平行间距大于使用波长，减少塔杆对天线性能的影响。在天线端口处，将馈电线用连接器（或称电缆头）与天线接好，弯一个直径约五十倍于馈电线直径的圆环固定于天线支架上，避免连接器部位直接受力而断线或损坏。 （11）天馈系统如何防水？ 答：天线与馈电线主要是靠连接器连接，采用自粘性橡胶密封带，将其拉伸后，以半搭形式缠绕在接连器上，可起到良好的密封防水作用。另外，在馈电线进入室内处弯一个返水弯，可避免雨水沿馈电线进入室内设备。 （12）如何检测天馈系统？
8、答：天馈系统架设好后，应由专业技术人员使用专用检测仪器进行检测。通常可在发射机和天馈系统之间串接通过式功率计，检验设备发射机功率和反射功率的大小来判断系统工作是否正常。2,OIP3,IIP3,IM3,P1db 的关系 Pin：Input powerPout：Output powerIM3：3 rd order intermodulation productIIP3：Input 3rd order intercept pointOIP3：Output 3 rd order intercept point各指标之间的数学关系如下。Pout (dBm) = Pin (dBm) + G (dB) （1
9、）OIP3 (dBm) = IIP3 (dBm) + G (dB) （2）OIP3 (dBm) = 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,噪声与接收灵敏度的关系 认为:手机的辐射灵敏度和天线是有关的,是有手机传导灵敏度天线性能手机辐射躁声共同决定的.首先,如果传导灵敏度不好, 那辐射灵敏度肯定不
10、好, 这没有什么可争辩的.其次,如果天线效率和方向不好,照样辐射灵敏度会低. 最后, 如果传导灵敏度 天线效率和方向图都不错,但是 PCB 在工作频段的噪声辐射太高, 辐射灵敏度也会变差( 这个时候往往天线的效率越高,辐射灵敏度越差, 因为接受到的噪声会很高). 哪位大虾觉得有问题,我们探讨探讨.4,终端负载为 0,25,50,无穷大时的现象终端我载是一种单口元件。常用的终端负载有两类，一类是匹配负载，一类是可变短路器。这些终端装置广泛地用于实验室，以测量微波元件的阻抗和散射参量。匹配负载是用来全部吸收入射波功率，保证传输系统的终端不产生反射的终端装置，它相当于终接特性阻抗的线。可变短路器是一
11、种可调整的电抗性负载，是用来把入射波功率全部反射的终端装置。反射波的相位随短路器位置的变化而变化，因而，改变短路器的位置，相当于改变终端负载的电抗。 波导型匹配负载是嵌入波导中的有耗材料做成的一块渐变的尖劈或片，如图 6-2-1 所示。渐变片可以是 1 片也可以用多片。因为材料是有耗的，所以入射波功率被它吸收了。同时由于波是逐渐地进入有耗材料做成的尖劈中而避免了反射，因此，这种终端负载可以认为是一段有损耗的渐变传输线。实践表明，劈尖做得愈长，匹配性能愈好。一般劈长取为 23 波导波长。吸收体的形状和长度一般是由实验确定的。我们曾用国产材料（WXF-5 型）做过实验，制成的终端匹配负载的性能优良
12、，驻波系数可达到 1.01 以下。驻波比的测量（转）52RD.com半波对称振子与馈线的匹配52RD.com一般的接收设备(如电视机)其输入特性阻抗为 75(不平衡式)或 300 平衡式,半波对称振子的输出是:阻抗为 75 平衡式, 如与 300 平衡电缆连接则只需考虑阻抗匹配就可以了,我们可利用传输线上距终端 /4 奇数倍处的等效阻抗等于传输线特性阻抗的平方除以终端负载这一特殊性质来进行阻抗匹配,这一特性的数学表达式 Zin=Z0*Z0/ZL,式中 Z0 是传输线( 匹配电缆)的特性阻抗,Zin 为天线的输出阻抗,ZL 为负载(接收设备的输入阻抗)阻抗,半波对称振子与 300 平行电缆的配接
13、计算如下:先按上式计算出所需电缆的特性阻抗,也即要实现半波对称振子与 300 平行电缆的配接它们之间必须要插入一条 /4 长,特性阻抗为 150 的平行电缆,为此,我们利用两条 /4 长的 300 平行电缆并联即可 ,接法如图 x。思维稿 52RD.com52RD.com52RD.com半波折合振子52RD.com折合振子天线在实际使用中,馈电振子一般都是采用折合振子的形式 ,其主要目的是增加天线的带宽,折合振子的结构形成如图 jk 所示, 这种天线的频带特性可以这样来证明:折合振子作为一偶极天线来说,可看作是两个 /4 的短路线相串联, 对于谐振频率波长 L=/4,偶极天线与短路线都没有电抗
14、成分,当加到折合振子上高频电流的频率在一定范围变化时, 出现以下 2 种情况:当频率高于谐振频率时,相当于 L/4,偶极天线近似长于 /4 的短路线,其电抗是感性,而此时短路线的电抗是容性,当频率低于谐振频率时 ,相当于 L/4,偶极天线近似于 /4 的开路线,其电抗是容性,而此时短线上的电抗又是感性 ;故当工作频率了生偏移时, 在一定频率范围内,折合振子上呈现的感抗与容抗可以互相补偿,使天线在较宽的频率范围内其阻抗特性的变化不大, 这就是折合振子具有较宽频带的原理。 52RD.com由于折合振子两平行导体具有相位相同,大小相等的电流 (即 I1=I2)所以其辐射电流为 I=I1+I2=2I1
15、,其辐射功率为 P=I*I*Rr=(2I1)*（2I1）*Rr(Rr 为半波振子的输入阻抗)在折合振子的馈电端的输入功率 P =4*I1*I1*Rr= (Rin 是折合振子的输入阻抗)由于在馈电端输入的电流实际上为 I, 所 I=I1,所以 Rin=4Rr=473.1=300 这里我们得到了折合振子输入阻抗是 300.是对称半波振子输入阻抗的 4 倍。为了解决与 75 同轴电缆与天线振子的联接, 采用长度为 /2的同轴线做成的相位,阻抗变换装置 ,即常叫的 U 形环, 可以解决以上两个问题.U 形环的结构图 jk2 如下所示.52RD.com从图可知,馈电时 B 点电流经过 U 形环后,与 A
16、 点的电流相位差为 (180 度),U 形环的外导体组成了 /4 的短路线, 使得在 A,B 点上的阻抗为无穷大, 因而外导体上的电流就不会由内表壁流向外表壁到地了,并且 U 形环还起到了阻抗变换的作用 ,如果在同轴线芯线上的输入电流为 I1,输入电压为 V1,则天线两振子上的输入电流分别为 I1,而同轴线外导体是接地的 ,所以 A,B 两点各自对地的电压都是 V1,且 A,B 两点电压为反相, 故此 A,B 两点间的电压为 VA+VB=2V1,在馈电点呈现的阻抗为:R=4V1/I1 即采用 U 形环后, 使馈线与天线接触点的阻抗提高了四倍,若采用特性阻抗为 75 的同轴线馈电 ,则在馈电点的
17、阻抗为 754=300,与折合折子能达到较好的匹配.思维稿 52RD.com多元折合振子天线52RD.com半波振子天线和折合振子天线的增益低,波瓣宽, 前方和后方具有相同的接收能力 ,所以它们只适用于信号强,干扰小的地方,当接收点离电视台较远,信号较弱或信号较强但干扰较大反射波影响较严重时,就要采用多元高增益定向天线了 ,这就是多元振子天线 ,又叫八木天线,在有源 振子的后面加上反射器,前面加上引向器 ,就构成多元振子天线,引向振子,反射振子与有源振子加起来的数目就是天线的单元数.52RD.com多元振子天线的后方波瓣消失,前方灵敏度大大提高, 原理如下 :52RD.com1.反射器对前方
18、P 点和后方 Q 点来的信号的作用52RD.com右图中的有源振子工作在谐振状态, 其阻抗为纯电阻,反射器则用长度比有振子长 5%-15%,而呈现感性.设反射器与有源振子相距 /4,从天线前方的 P 点来的电磁波先到达有源振子 ,并使之产生感应电势 e1,感应电流 I1.电磁波再经过 /4 的途经才到达反射器 ,并使之产生感应电势 e2 和感应电流 I2.由于反射器与有源振子在空上相差 /4 的路程,所以 e2 比 e1 落后 90,而 I2 又由于反射器呈现感性而比 e2 落后 90,故 I2 比 e1 落后 180,反射器电流 I2 产生的辐射场到达有源振子形成的磁场 H2 又比 I2 落
19、后 90,即 H2 比 e1 落后 270.根据电磁感应定律,H2 在有源振子里产生的感应电势 e1-2 比 H2 落后 90,结果 e1-2 比 e1 落后 360,也就是说反射器在有源振子所产生的感应电势 e1-2 和原振子的感应电势 e1 是同相的,天线输出电压是等于 e1 与 e1-2之和,可见反射器使天线接收前主信号的灵敏度提高了 ,根据类似的推导可知 :反射器对后方 Q 点来的信号有抵消输出的作用.52RD.com2.引向器的作用52RD.com引向器比有源振子短 5%-10%,其阻抗呈电容性, 假设引向器与有源振子间的距离也是 /4,用同样的方法可以推导出下述结论:引向器对前方来
20、的信号起着增强天线输出信号作用.52RD.com综上所述,反射器起着消除天线方向图后瓣的作用 ,反射器和引向器都具增强天线前方灵敏度的作用。 思维稿52RD.com业余制作抛物面天线的要点-抛物面天线的 F/D 与馈源的辐射方向角 Q 的关系52RD.comF/D（F 是抛物线的焦点，D 是抛物线的口径）与馈源的方向角 Q 是从属关系，也就是说只有馈源的方向角确定以后才能确定你所要制作的抛物面天线的直径及焦距。作为一个业余爱好者只知道 F/D=0.3-0.5 是不够的，如何才能使一条天线与馈源的配套即采用合适的 F/D，这个问题很重要，它直接影响天线系统的效率及信噪比等。图 1-1 所示 Q
21、是馈源所固有的，馈源确定了，Q 也就确定了。52RD.com制作天线首先要决定馈源，只有馈源的方向角为已知，才能按不同的 F/D 制作不同直径的天线，而不应制作好了天线以后才制作馈源，因为这样一来很难达到理想的效果，必定产生如图1-2 或图 1-3 的情况。图 1-2 的情况会使地面反射的杂波进入馈源，而且天线边缘的微波和绕射波也会进入馈源，使得天线接收系统的信噪比减小。图 1-3 的情况则会使天线的利用率降低造成人为的浪费而且信号的旁瓣也同时进入了馈源。F/D 与 Q 的关系是：F/D=1/4*Ctg Q/2。52RD.com所以先有馈源方向角再根据你所要制作多少直径的天线而后确定 F=D*
22、（1/4*Ctg Q/2） ，然后根据抛物线方程：X=Y*Y/4F 绘制出模。52RD.com抛物线天线的口径可用下式计算：52RD.com52RD.com馈源的方向角（Q）100 度 120 度 160 度 180 度52RD.com天线的效率（K）70%60%55%50%52RD.com52RD.com一般的折合半波振子馈源（带后反射器）和螺旋馈源的方向角是 100 度左右。思维稿52RD.com十字型发射天线的配接52RD.com在一些中小功率的高频发射设备中，通常都采用多层十字型半波折合振子发射天线。这种天线的特点是结构简单架设方便，其缺点是增益较低且带宽相对较窄，在这里以双层十字型天
23、线为例说明一下其配接原理。图 1 为此种天线的结构图，我们知道一个半波振子的输入租抗为平衡式 300 欧，而发射设备的输出阻抗常为 50 欧不平衡式，所以首先要将折合振子的 300 欧平衡变换成 75 欧不平衡式（变换原理可参考我以前所发表的有关文章） ，然后将两条长度为 （波长）的 75 欧同轴电缆（称分馈线）将上下两层东西向的振子和用两条长度为 +/4 的 75 欧电缆将上下两层中南北向的振子联结成一个节点 1（如图 2 所示） ，节点 1 的阻抗为 75/4=18.75 欧，由于发射设备的输出阻抗为 50 欧，所以还必须进行阻抗变换，我们利用 这个公式进行计算，式中 Z0 为所需的 /4
24、 长度的匹配电缆特性阻抗，Z1 为节点 1 的阻抗，Z2 为发射设备的输出阻抗（节点 2） 。计算得 为此我们可以用一条长度为 /4 的 50 欧电缆和一条同样长度的 75 欧电缆并联来近似代替。52RD.com为何东西向和南北向的分馈线要相差 /4 呢？这是为了在水平面内使电磁波得到均匀的辐射，如分馈线的长度一样其在水平面内的辐射图如图 3，从图中可见其辐射场在西南，东北，东南，西北的方向上是较弱的，如果南北向的振子与东西向的振子在馈电上相差 /2 的相位，那末其形成的辐射场是一个旋转磁场，其辐射图如图 4 所示，从图中可见辐射场在全方位上都比较均匀了。根据传输线的原理要产生 /2 的相位差
25、只需将某一方向上（如南北向）的分馈线增加 /4 就可以了，这就是为何南北向和东西向分馈线相差 /4 的原因。思维稿52RD.com52RD.com52RD.com52RD.com52RD.com天线驻波比的测量方法52RD.com在天线系统中，天线与设备配接是否良好我们常常用一个称为驻波比的参数对其衡量，当驻波比为 1 的时，表示此天线系统匹配良好没有反射，如此数越大则意味着匹配状况越差，系统中存在越大的反射波。那末如何测量天线的驻波比呢？在这里我向大家介绍一种较为简易的办法。52RD.com要测量驻波比需要一台扫频仪，接法如图 2-1，先将馈线的终端（近天线系统一端）短路，此时由于扫频仪输出
26、的信号在馈线的终端形成全反射，观察其全反射波形如图 2-2 曲线的最大幅度为 a，然后将天线接入馈线的终端，此时扫频仪上在工作频率范围内观察到的最大幅度为b 如图 2-3，先求出反射系数 P=b/a，然后可用式 S=1+P/1-P 求出驻波比，式中的 S 表示驻波比。思维稿52RD.com电缆的电长度52RD.com在传输线中常用一个称为电长度的参数（单位：MHZ）来衡量电缆的电气性能。工厂生产电缆时，因为制造工艺的关系，使得每一批的电缆的电气指标都存在着差别，比如同是一段物理长度一样的两条电缆，对同一个高频信号来说它反映的电性能就不一样，因此就引入了一个电长度的概念。它反映了在一段单位物理长
27、度内，电缆对某一频率信号所表现出来的特性。在制作发射天线的馈电系统中，此项参数尤为重要。例如在我发表的“双层十字型发射天线的配接”一文中的各分馈电缆，在物理长度一样但电长度不一样的情况下，分馈线的实际阻抗就会产生偏移且会引起附加相移，使得整个天线系统难以做到很好的配接。52RD.com那么如何去检测一段电缆的电长度呢？具体方法是这样的，例如发射天线工作的中心频率为F，其对应的波长为 ，截取一根物理长度为 /2 的电缆将它的终端短路，使它对信号形成全反射，用扫频仪进行测试，调节扫频仪输出的中心频率使扫频仪屏幕上产生一个下陷的波形（如图 L 所示） ，这个下陷波就是电缆的反射波形。从长线理论中我们
28、知道，终端短路的传输线对于某一频率信号来说，离终端 /2 处，它的反射波电流幅值最大，所以此时图中的 A 点（即波峰处所对应的频率）就是这根电缆的电长度。如 A 点处的频标所指示的频率等于 F，就说明此电缆的电气性能达标，如不等 F，则说明电缆的电气性能存在着差异，如用此电缆作天线系统的分馈线时，就必须要对其（物理长度）进行修正。52RD.com对于特性相同的电缆来说，当它的物理长度相同时，它们的电长度也相同；当它的特性不等时，电缆的物理长度相同而它们的电长度不相同，所以我们可以用电长度这个指标来衡量电缆性能的一致性。思维稿52RD.com定向耦合器52RD.com在很多高频发射设备中，常在末
29、级功放至发射天线的通路中插入一个定向耦合器来测量发射设备的发射功率或测量天线的反射功率，下面我介绍一下这种定向耦合器的工作原理。52RD.com如图 X 是定向耦合器的原理图，其中 A、B 是主馈电缆的内导体，在接近内导体里放入一个线圈 L3，其中 C 是 L3 和内导体之间的分布电容。当有射频信号送入时，A、B 有电流 I 流过，其中 E 是内外导体间的射频电压，由于分布电容 C 的存在，那么内导体中就有一电流通过 C、R1 流到外导体，这个电流在 R1 上将产生一个互感电压 EL3，很明显，a-b 两端的输出电压 E=ER1+EL3，在制造中我们适当地选择 L3 和 R1 并在调试中改变
30、C 和互感系数 M，使得在一个方向上输出电压 E 为最大值（即使得 ER1 和 EL3 在相位上是相加的） ，而在另一个方向上 E 输出极小极小（即使得 ER1 和 EL3 在相位上是相减的） ，这样我们就实现了定向耦合的作用，输出电压 E 通过 BG1 检波后送至指示系统，这样我们就可以在指示系统上读出机器发向天线的实际功率。思维稿52RD.com52RD.com52RD.com环行器52RD.com环行器又叫隔离器的突出特点是单向传输高频信号能量。它控制电磁波沿某一环行方向传输。这种单向传输高频信号能量的特性，多用于高频功率放大器的输出端与负载之间,起到各自独立,互相“隔离”的作用。负载阻
31、抗在变化甚至开路或短路的情况下都不影响功放的工作状态,从而保护了功率放大器。52RD.com环行器单向传输的原理，是由于采用了铁氧体旋磁材料。这种材料在外加高频波场与恒定直流磁场共同作用下，产生旋磁特性（又称张量磁导率特性） 。正是这种旋磁特性，使在铁氧体中传播的电磁波发生极化的旋转（法拉第效应） ，以及电磁波能量强烈吸收（铁磁共振） ，正是利用这个旋磁现象，制做出结型隔离器、环行器。它具有体积小、频带宽、插损小等特点，因而应用十分广泛。52RD.com左图是环行器的结构图，它采用结型带线结构，双 Y 形中心导体置于两片旋磁铁氧体样品之间，组成样品结，在样品结周围各置三片磁石，使整个样品结产生一均匀恒定的磁场。隔离器、环行器端口由带线转为同轴线，通过正确的设计，可使样品结与同轴线有良好的匹配，满足隔离器、环行器各种性能的要求，当在负载失配的情况下，反射能量将沿着蓝线所标的方向流到外接的吸收电阻上，能量被电阻所吸收。思维稿52RD.com
