天线技术 (西电第二版)第6章

.,第6章常用线天线,6.1引向天线和高增益引向天线电视接收天线6.2电视发射天线6.3移动通信基站天线6.4智能天线,.,6.1引向天线和高增益引向天线电视接收天线,6.1.1引向天线的组成结构,图6-1引向天线的结构,.,引向天线的最大辐射方向在垂直于各振子方向上，且由有源振子指向引向器，所以，它是一种端射式天线阵。引向天线的优点是：结构简单、牢固，馈电方便，易于操作，成本低，风载小，方向性较强，体积小。引向天线的主要缺点是：工作频带窄。,.,6.1.2引向天线的工作原理1工作原理由天线阵理论可知，排阵可以增强天线的方向性，而改变各单元天线的电流振幅比可以改变方向图的形状，以获得所要的方向性。引向天线实际上也是一个天线阵，与前面介绍的天线阵相比，不同的是：只对其中的一个振子馈电，其余振子则是靠与馈电振子之间的近场耦合所产生的感应电流获得激励，而感应电流的大小取决于各振子的长度及其间距。因此，调整各振子的长度及间距可以改变各振子之间的电流振幅比，从而达到控制天线方向性的目的。,.,图6-2二元阵,.,图6-2表示由两个平行的半波振子构成的二元阵，其中,振子1为有源振子，振子2为无源振子。虽然振子2没有直接的激励，但邻近振子1的辐射将使它产生感应电流，同样也产生辐射作用。此时，二元阵的辐射场为有源振子上激励电流I1及无源振子上感应电流I2辐射作用的叠加。其中，I2=mI1ej,则,无源振子2的感应电流的振幅与相位取决于有源振子与无源振子间的距离d和无源振子的长度2l2。那么如何使振子2起到引向器或者反射器的作用呢？,.,图6-3二元等效四端网络(a)二元阵；(b)四端网络；(c)等效四端网络,.,无源的2号天线相当于输入电压U2=0，即四端网络终端短路的情况。根据四端网络的概念，可写出下列方程：,由式（6-1-2）得出两振子电流比：,（6-1-3）,式中，振幅比m以及相位差分别为,（6-1-4）,.,（6-1-5）,其中,相位差由三部分组成：分子中的相角、分母中的相角和ej。对称振子的自阻抗Z22取决于它本身的长度，而互阻抗Z12则主要取决于两振子的间距。故调节无源振子2的长度2l2或它与有源振子的间距d，均可改变电流比m以及相位差,进而改变二元阵的合成场和方向性，使二元阵在其赤道面内呈现不同的方向图。调节无源振子的电流，即m和，使方向图主瓣指向有源振子一方，就称此无源振子为无源反射器；若方向图主瓣指向无源振子一方就称此无源振子为引向器。,.,2改变无源振子的长度及其与有源振子的间距所产生的影响由上面分析可知，改变无源振子的长度及其与有源振子的间距，就可以获得我们所需要的方向性。一般情况下，有源振子的长度为半个波长，称半波振子。图6-4中，考虑波长缩短效应，有源振子的长度为2l1/=0.475，并给出了无源振子在2l2为不同长度下且距有源振子为不同距离d时的H面方向图。,.,图6-4二元引向天线的H平面方向图,.,由图6-4可见，当无源振子与有源振子的间距d-,I2滞后于I1,无源振子起引向器的作用。由两平行振子互阻抗关系还可以看出，当振子间距比前述范围进一步增大时，R12和X12的极性可能发生变化，从而使电流相位差的极性翻转，无源振子将从反射器变成引向器，或由引向器变成反射器。,.,6.1.3引向天线的设计方法与设计举例1引向天线的设计原则,1）确定单元数N及总长度L引向天线的单元数N应根据要求的增益系数值或者主瓣宽度来确定。引向天线主瓣的半功率宽度的近似计算公式为,(6-1-6),式中,L是引向天线的总长度，也就是从反射器到最后一根引向器的距离。,.,图6-620.5与L/的关系曲线,.,图6-7L/N曲线,.,图6-8GN曲线,.,例如，设计一副增益为12dB的引向天线的步骤为：(1)由图6-8查得当G=12dB时，N=8,即需8个单元(包括1个有源振子，1个反射器和6个引向器)。(2)从图6-7查得当N=8时，可以初步确定天线的L/1.8。在给定天线增益时可根据图6-8确定振子数N，再按图6-7由N查得L。也可以参考表6-1来选定振子数N。或当给定主瓣宽度20.5时，可先由图6-6查得天线的L/，再由图6-7得出振子数N。,.,表6-1引向天线的增益,.,2)确定振子长度和间距（1）确定无源振子长度。反射器与引向器通常均采用单线振子。反射器的长度一般稍长于有源振子，即2l/在0.50.55之间。引向器的长度略短于有源振子，即2l/在0.40.44之间。引向器越多，引向器的长度越短。当引向器数量很多时，它们的长度有不同的组合方案：可以是全部等长（但间距不同）；也可以是随着与有源振子距离的加大，长度逐渐减小。,.,（2）单元间距d的选择。单元间距的选择要同时从方向特性和阻抗特性两方面考虑。实验结果表明，引向器与有源振子的间距di较大时，方向图的主瓣较窄、增益较高，输入阻抗较高，天线的阻抗频带较宽，但副瓣较大，易接收干扰信号。但当di0.4时，增益开始下降，故间距不宜太大。如果间距过小，振子间的互耦增大，有源振子的输入阻抗随频率的变化剧烈(说明带宽变窄)且电阻的数值变小，会影响到天线和馈线间的匹配，因此di取值不应小于0.1。综上所述，di的取值范围为（0.10.4）。通常，除第一引向器外，其他引向器按等间距排列。实际应用中也有采用不等间距的，其原则是距主振子越远的引向器与相邻单元之间的距离越大。,.,反射器与有源振子的距离dr对天线方向图的前后比和输入阻抗的影响较大。dr的取值范围为（0.150.31）。当dr值较小（dr（0.150.17）时，后瓣电平低，方向图的前后辐射比较高，但天线的阻抗频带较窄，天线的输入电阻也较低。当dr（0.20.31）时，后瓣电平高，方向图的前后辐射比较小，但天线的阻抗频带较宽，输入电阻也较高，便于和常用电缆匹配。当反射器不用单根导线，而用由多根导线构成的栅状平面或曲面代替时，可改善天线的前后辐射比。,.,无源振子数量较少时，为取得最佳组合,它们的长度和间距常常各不相同；无源振子数量较多（如6个以上）时，全部引向振子常做成等长等间距，但其中第一个引向振子与有源振子的间距d取的较小一些，与其他引向振子间的间距d的关系为d=(0.60.7)d。,.,表6-2均匀引向器的个数与长度之间的关系,可调整引向器的间距d(一般取(0.150.27)。若d取值较大，则增益高，方向性尖锐，但是副瓣也高，易接收干扰信号，且纵向尺寸长，支撑复杂。第一根引向器距有源振子之间的间距d2取得小些（一般取(0.10.15)）,这样有利于加宽频带。,.,3)确定有源振子及尺寸,图6-9折合半波振子天线的外形,.,确定有源振子长度时应考虑天线的缩短效应，取,(6-1-7),式中,为缩短系数,即,（6-1-8）,l为振子缩短长度：,（6-1-9）,.,d为折合振子的等效直径，可由式（3-2-4）求得:,（6-1-10）,有源振子馈电间隔aa在VHF波段一般取5080mm；在UHF波段一般取20mm。有源振子为折合半波振子时，折合振子宽度b取(0.010.08)。b值增大有利于加宽频带，但若b取得太大，则两条窄边（指折合振子的上下两臂连接处）会产生辐射，使天线增益下降，且方向图受到影响。b值太小，振子的输入阻抗要降低，容易引起阻抗失配。通常在VHF波段取b=0.02,UHF波段取b=0.08。,.,2设计举例设计一个均匀引向天线，接收1012频道节目，其增益大于9dB。（1）计算高/低端波长和中心波长:10频道频率范围是199207MHz,12频道频率范围是215223MHz，11频道在10和12频道之间。低端波长：,.,高端波长：,中心波长：,（2）确定天线振子数目N:根据给定增益，由图6-8查得G9时，最少的单元数目为5。,.,（3）确定折合半波振子长度2l、宽度b、接口宽度aa:取直径为10mm的金属管（铜管或铝管）作为振子材料,则：b0.03，43mm,aa取50mm。用公式（6-1-10）计算：,用公式（6-1-9）计算：,.,用公式（6-1-8）计算：,用公式(6-1-7)求得折合振子的长度L2为,.,（4）确定引向器的长度和距离：由表6-2可查得，当引向器个数为5时，引向器长度Ln0.4340=618mm。引向器间距dn=0.340=484mm。第一引向器与有源折合振子间距d2=0.150=214mm。,.,（5）确定反射器长度和间距:反射器长度。反射器与折合振子的间距d1=0.250=356mm。（6）天线总长度：L=d1+d2+d3+d4=356+214+484+484=1538(mm),.,图6-101012频道5单元引向天线,.,（7）估算主瓣宽度（半功率角20.5）:,（8）复核增益:,因,所以取中间值:,用分贝表示为G=10lg11.88=10.75dB,因此上述设计符合要求。,.,3.引向天线的计算机辅助设计技术（1）根据实际工程所提出的天线参数要求，用前面介绍的经验公式或者常用尺寸范围确定初始结构参数（如振子个数N的确定，振子的长度和间距的选取等）,这一点与前面介绍的常规设计中的方法一样。,.,（2）将选定的初始结构参数带入前面的公式中计算天线的电特性，如各振子的电流、方向系数、方向图、半功率波瓣宽度、前后辐射比、天线的输入阻抗等。将用计算机软件计算出的结果与要求值比较，如果不符合要求，则重新选取一组结构参数，重新计算，直到满足给定的电参数要求为止。上述过程全部由计算机完成，代替了常规设计中的大量实验，也节省了大量的设计时间，降低了设计成本。（3）将满足电参数要求的结构参数进行微小的实验调整，确定天线的最终结构参数。,.,6.1.4高增益引向天线1背射式引向天线背射天线又称为反射天线，它是20世纪60年代初期在引向天线基础上发展起来的一种新型天线。背射天线自20世纪60年代被提出之后，由于其结构简单,馈电方便,纵向长度短,副瓣和后瓣辐射电平低等优点而得到重视，在通信以及遥控、遥测等领域迅速被推广。,.,图6-11背射式引向天线(a)引向天线；(b)背射天线,.,背射天线在其轴向长度与八木天线相接近时，它相当于将原来的引向天线长度增加了一倍，故它的增益与同长度引向天线相比要高约3dB；此外，由于反射盘的镜像作用，其增益还将加大3dB。反射盘T一般称为表面波反射器，它的直径大致与同一增益的抛物面天线（见第9章）的直径相等。反射盘T与反射器1之间的距离应为/2的整数倍。如果在反射盘的边缘再加一边框（反射环），则天线的增益还可以增大。,.,八木天线和背射天线的共同优点是结构比较简单，而且在组成天线的很多振子或反射盘中，只有一个作为馈源与馈线连接，这使馈电系统也非常简单。背射天线适用于增益为1530dB的天线。在这一增益范围内，若用引向天线，则其长度太长，不易实现；若用偶极子排阵，则馈电系统太复杂；若用抛物面天线，则结构与加工都不经济。背射天线的优点是结构简单，纵向长度短，增益大，副瓣以及后瓣都比较小，副瓣在-20dB以下，后瓣在-30dB以下。,.,图6-12背射天线,.,2用等效反射面法分析短背射天线,把图5-13(c)右侧所示的短背射天线带边环的平板反射器T近似看为如图6-13（a）及(c)左侧所示的等效反射面，则它应具有等效焦点。由位于焦点的馈源发出的射线，可能包含图（b）所示的三个部分：由馈源直接射向大反射器的平板部分被反射回的波X1；由馈源射向小反射器，转而射向大反射器后被反射回的波X2；被边环拦截反射的波X3。这里设,(6-1-11),.,于是合成场可写成,X=Asin(t+),(6-1-12),适当选择和调整大、小反射器的直径D、d、边环宽度W以及馈源与两个反射器之间的距离，使天线的正前方上1、2、3三者满足同相（或相差2n)叠加条件，即有,X=(a1+a2+a3)sin(t+),(6-1-13),则将使合成场振幅达到最大值。式中，=1或者2或者3;a1+a2+a3=A。,.,图6-13短背射天线分析,.,6.1.5天线与馈线的匹配连接技术1阻抗匹配的含义所谓天线与馈线的阻抗匹配，是指两者的连接具备下面三个条件：（1）天线应处于与接收频道信号谐振的状态，使天线的阻抗呈纯电阻性，即电抗部分为0；使天线的引下线能从天线中获得尽可能大的能量，从而提高信号的传输效率。（2）天线的输入阻抗应等于馈线的特性阻抗，如果两者不相等，可通过阻抗变换器或其他办法来实现阻抗变换，使两者阻抗一致。（3）天线馈电端是平衡式输出，如果采用阻抗相同的平行馈线作天线的引下线，则可以直接相连接。如果采用阻抗为75的同轴电缆作引下线，则还需要进行平衡不平衡转换。,.,2单副天线与馈线的匹配连接（1）采用阻抗变换器实现匹配。阻抗变换器又称双磁芯变压器，在有线电视系统中用于300/75阻抗变换，例如天线馈电点与75同轴电缆之间的阻抗变换。这种阻抗变换器无方向性，故连接时可以作为天线馈电点与同轴电缆之间300/75的阻抗变换器。阻抗变换器是在NXO-100的高频双孔磁芯上用=(0.20.5)mm的单股塑包铜线双线并绕34匝而成，两绕组的匝数相同，其连接方法如图6-14所示。从图中还可看出，由于L1、L2、L3、L4的匝数相同，对输入端A、B来说，L1和L3、L4和L2均为串联，对输出端A、B来说为并联，故其阻抗变换比为41。因此，若输入阻抗为300，则输出阻抗为75。,.,图6-14阻抗变换器,.,（2）用同轴电缆变换器实现匹配。,图6-15/2的U形环阻抗变换器,.,这种变换器用于八木天线中折合振子与同轴电缆之间的阻抗变换，首先将折合振子的两端a、b分别与/2的U形环的两个芯相连，连接后的任意一端再与引下电缆芯相连接，最后将三根电缆的屏蔽层连接在一起。折合振子天线的a、b两馈电点间输入阻抗为300，而a或b任意一个馈电点相对中性点B（即该节点的波节点电压为0）的阻抗RL=300/2150；a、b两点的相位差为180。当a、b两点间通过/2的U形环连接后，使得b点电压传到a点时相位滞后180，故与a点同相位。所以a点对地或者对中性点B的阻抗为两个RL的并联值，即Z=150/275，这就实现了天线与馈线的匹配连接。,.,表6-3112频道/2的U形环的电缆长度,.,6.2电视发射天线,6.2.1电视发射天线的特点和要求1电视发射天线的特点（1）频率范围宽。我国电视广播所用的频率范围：112频道（VHF频段）为48.5223MHz；1368频道（UHF频段）为470956MHz。（2）覆盖面积大。,.,2对发射天线的方向性要求要求发射天线在水平面内无方向性，而在垂直面内有较强的方向性，以有效地利用电波能量，使能量集中于用户所在的水平方向，而不向上空发射。,.,3要解决零点填充问题在以零辐射方向为中心的一定的立体角所对的区域内，电视信号变得十分微弱，因此零辐射方向的出现对电视广播来说是不好的，所以要解决零点填充问题。,.,4对极化方式的要求由于工业干扰大多是垂直极化波，因此我国的电视发射信号采用水平极化，即天线及其辐射电场平行于地面。电视信号比语音广播信号包含更多的信息，所以说电视广播发射的功率通常很大，提高天线馈电效率非常重要。因此，要求电视发射天线能在很宽的频带内满足对驻波比的要求，使天线与馈电系统处于良好的匹配状态。,.,6.2.2旋转场天线,图6-16正交电基本振子及其坐标,.,图6-16为正交电基本振子及其坐标，两电基本振子分别沿x方向与y方向放置，且两电基本振子的电流大小相等，相位相差/2，即I1=I2，相位差/2，则在电流元组成的xOy平面内的任一点上，它们产生的场强分别为,（6-2-1）,.,在水平面内任意点上两个场强的方向相同，所以总场强就是两者的代数和，即,E=E1+E2=A(sincost+cossint)=Asin(t+),式中,A是与距离r、电流I和电流元长度l有关而与方向性无关的一个因子。,（6-2-3）,.,归一化方向性函数，则有,其方向图见图6-17。式（6-2-4）表明，在xOy平面内，场强的大小与无关，均可达到最大值1，稳态方向图为圆。任何瞬时方向图同电基本振子的方向图相同，呈8字形，但这个8字形的方向图随着时间的增加，围绕z轴以角频率旋转，其轮廓是一个圆，属于圆极化波。由图6-17可见，旋转场天线方向图是一个“8”字形，以角频率在水平面内旋转，其效果是在水平面内没有方向性，稳态方向图是个圆。这就是称这种天线为旋转天线的由来。,（6-2-4）,.,图6-17旋转场天线方向图(a)单个电流元的方向图；(b)旋转场,.,由于电流元的辐射比较弱，因此实际应用的旋转场天线是用半波振子或折合振子代替电基本振子组成的，此时水平面的方向图近似于圆（见图6-18）。合成场的方向性函数为,（6-2-5）,也近似于旋转场状态。电场仍近似为圆极化波,它的方向图偏离全方向图不大于1.5dB。,.,图6-18电流幅度相等,相位差为90的正交半波振子的水平面方向图,.,图6-19正交半波振子阵,.,图6-20旋转场天线的馈线连接,.,6.2.3电视发射天线,1蝙蝠翼天线的结构及原理分析蝙蝠翼天线基本单元的原形也是粗偶极天线，它的演变过程如图6-21所示。当考虑天线应具有宽频带阻抗特性时，即当工作频率变化时，要求天线的特性阻抗Zc变化要小；为此，要求振子的特性阻抗要小，要采用粗振子天线，如图5-21（a）所示，其振子的特性阻抗Z0可用下式计算：,式中，d是振子直径，当要求特性阻抗Z0低时，振子的直径d就要加粗。,.,图6-21蝙蝠翼天线的演变,.,图6-22蝙蝠翼,.,2宽频带特性分析在图6-22(b)中，分别从C-C、B-B、D-D处向上、向下看时，若当工作频率f低于中心工作频率f0时，B-E、C-E、D-E各终端短路双线传输线分别可认为是小于/4的终端短路传输线，其对应的输入阻抗Zin均为感性，而与它们相对应的各个横向的终端开路的对称振子BB、CC、DD的输入阻抗均为容性，它们的电抗具有互补作用。,.,同理：当工作频率升高，高于中心工作频率时，B-E、C-E、D-E各终端短路双线传输线的输入阻抗均变为容性了，而这时与之相对应的横向的终端开路的对称振子BB、CC、DD的输入阻抗却变成感性了，它们的电抗也具有互补作用。由此可知，一方面由于短路双线的感抗和各对称振子的容抗的相互补偿作用展宽了频带，另一方面各对称振子的辐射在相应连接处引入了损耗电阻，从而降低了传输线的Q值，使馈电端A-A的输入阻抗的频率特性得到了较大改善。实验表明，当要求蝙蝠翼天线驻波比）上电流的相位分布，使各线段上的电流分布接近同相，以取得需要的方向特性。图6-32表示加入倒相器前后，长直导线上的电流分布情况。,.,图6-33的串馈阵采用集中参数的螺旋线圈为移相器。移相线圈相当于一个慢波结构，使原来带有反相电流的区段长度大大缩小，使它们的辐射作用可以被忽略。螺旋移相式串馈阵的直线辐射段的长度可以是/2或5/8（分别配用展开长度为/2和5/8的螺旋线圈）。分析和测量结果表明，在天线总长相同时，辐射段长度为5/8的结构具有较好的辐射特性。由于直线辐射段和螺旋移相线圈都有损耗，离馈电端愈远处，电流的振幅愈小。因此，在辐射单元数量相同时，串馈阵与并馈阵相比，前者在垂直面的方向性较弱，增益也较低。,.,图6-32长直导线上的电流分布,.,6-33螺旋移相式串馈阵,.,实际中还采用填充介质的同轴电缆段作为辐射单元的串馈阵。其结构原理如图6-34（a）所示。辐射振子就是同轴线的外导体，将相邻的同轴电缆段的内、外导体交叉连接，就能在它们的外导体外表面上得到等幅同相的电流分布。电缆辐射段的长度应等于1/2导波波长，即l=g/2。其中，g为工作波长。若在同轴线内部填充介电常数为r=2.25的介质，则每段同轴线的长度为,（6-3-1）,式中，0为自由空间波长。,.,图6-34同轴电缆组成的高增益天线,.,图6-35表示一个12段的交叉倒相串馈共轴天线的芯线及外观，其工作频率为910MHz，在25MHz带宽内，增益大于8dBi，包括玻璃钢护套及底座在内全长1.7m。天线芯线最顶上一段的长度为（0/4+g/4）。在g/4处，同轴电缆内、外导体短路，这是为了保证天线各辐射段上的电流分布接近均匀和同相。这种天线的突出优点是增益高、垂直极化、水平面内无方向性，且结构紧凑、性能稳定、使用方便，尽管安装在风力强劲的高处，也能长期可靠工作。,.,图6-35同轴高增益天线,.,6.3.3基站高增益定向天线（扇形波束天线）,图6-36角形反射器天线,.,图6-37120角反射器,.,表6-5定向天线典型的结构尺寸,.,角反射器的优点是通过控制反射器的张角可调整其波束宽度。图6-38示出了一种典型单元角反射器天线的基本结构。当馈源初级辐射器是半波振子时，角反射器的口面张角与水平面半功率波束宽度的关系以及口面张角和方向性的关系如图6-39所示，当口面张角为120270时，扇形波束的半功率角为60180。,.,图6-38角反射器天线的基本几何结构,.,图6-39角反射器天线的口面张角与半功率波束宽度的关系（f=900MHz,D=0.28）,.,图6-40两个180的扇形波束天线组合成全向波束,.,6.3.4双频扇形波束天线,图6-41双频角反射器天线的结构,.,图6-42双频角反射器天线的波束宽度特性,.,6.4智能天线,6.4.1智能天线技术的主要优点智能天线技术具有以下优点：(1)具有较高的接收灵敏度。(2)使空分多址系统（SDMA）成为可能。(3)消除在上下链路中的干扰。(4)抑制多径衰落效应。,.,6.4.2智能天线的工作原理智能天线采用空分多址(SDMA)技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同地址码的用户信号区分开来，可最大限度地利用有限的信道资源。智能天线的核心在于数字信号处理部分，它根据一定的准则，使天线阵产生定向波束指向用户，并自动地调整系数来实现所需的空间滤波。智能天线需要解决的两个关键问题是辨识信号的方向和数字赋形的实现。,.,图6-43等距离五阵元直线阵,.,图6-44等距离八阵元圆线阵,.,图6-45自适应天线的原理框图,.,用wi改变每个阵元输出信号的幅度和相位，以实现改变天线阵的方向图。这时天线阵列的输出信号y为,例如，七单元直线阵的七个wi同时变化的结果，使得天线阵输出的方向图（如图6-46所示）的主波瓣指向从38142变化。,.,图6-46单信号入射时形成的方向图,.,由于远方传来的电磁波（可视为平面波）到达各个阵元时所走的距离不同，因而带来不同的相位差，即某一入射信号在各天线单元的响应输出只有相位差而没有幅度变化。若入射信号方向与阵元和参考点连线的夹角为(见图6-43和图6-44)，则在各个阵元上形成了与参考点具有不同相位差的信号，即,这些相位差由载波波长、入射角度和天线位置分布惟一确定。天线阵列的输出信号y是所有阵元输出信号xi的叠加。给定一组加权值和一定的入射信号强度，不同入射角度的信号由于在天线间产生的相位差不同，因此合并后的输出信号强度也会不同。将入射到天线的电磁波的入射角作为变量，以天线阵列的输出端量为函数做成的图就是天线的方向图。,.,6.4.3智能天线的功率特性与抗干扰特性智能天线采用数字方法对阵元接收的信号加权处理，以形成天线波束，使天线主波束对准用户信号方向，而在干扰信号方向形成天线方向图零陷或较低的功率方向图增益，使天线功率集中辐射于有用的信号方向，从而节省了发射机的功率，减少了信号干扰与电磁环境污染，提高了天线的抗干扰能力，达到了抑制干扰的目的。,.,6