微波天线论文

1、微波与天线系统通信工程专业系统实验RZ9905型微波与天线综合实验系统论文学院：信息工程学院专业：通信工程组长：00组员：0 00通信工程教研室摘要在3G通信时代，微波通信系统建设成本低、建设速度快、部署灵活的优点将在3G网络建设中得以充分发挥，从而扩大微波天线在我国的应用范围，形成快速增长的国内市场需求。与此同时，随着无线通信技术PDH，SDH系统与wireless通讯的迅速发展，微波通信天线目前已经在电力、交通、铁路等行业的专用通信网中开始大量使用，微波天线应用范围愈加广泛。在这样的条件下，研究微波通信是非常重要。本次实验微波与天线实验系统就是研究微波发送、接收系统的工作原理。实验中对微波

2、系统的每个组件进行测试，最后，完成了微波电视信号单向传输系统的调试。关键字： 微波通信 微波天线 组件 系统 目录第一部分 绪论-3 （一） 背景介绍-3（二） 系统特点-3（三） 实验目的-3（四） 实验内容-3（五） 准备知识七管收音机组合电路原理-4第二部分 实验准备-5（一） 微波测量仪器介绍-5（二） 系统所含组件原理-51 140MHZ 中频振荡器-62 微波锁相信号源-63 变频器-64 振荡器-75 放大器-86 滤波器-87图像/数据中频调制器-9第三部分 微波系统测试-9（一）微波发送系统-91原理图-92原理简单介绍-93实验结果-94实验分析-10（二）微波接收系统-1

3、11原理图-112原理简单介绍-113实验结果-114实验分析-12（三）微波电视信号单向传输系统-121原理图-122实验结果比较与分析-133有线电视与无线电视的主要区别-13第四部分 微波与天线的应用-141 微波技术的应用与发展-152 天线技术的应用与发展-15第五部分 结束语-16第一部分 绪论(一) 背景介绍RZ9905 微波与天线综合实验系统主要面向通信工程、电子工程、微波工程等专业开设微波技术 、微波器件 、微波电路 、微波通信 、 天线等课程教学、实验 、示教的需要而设计，也可用于微波技术类课程的课题设计和毕业设计。它由 RZ 9905-T 微波与天线发射实验系统及 RZ

4、9905-R 微波与天线接收实验系统两个实验箱组成。其功能强大、实验内容丰富多信道微波与天线发、收系统。(二) 系统特点 1、 工作频率为 2.4GHZ ，是国家无线电管理委员会规定的业余无线电频段，不会对公网与专网产生电磁污染 ； 2.4GHZ 能充分体现微波信号的特点 。2、 RZ 9905 微波与天线综合实验系统的微波发射实验系统（ RZ 9905-T ）及微波接收实验系统（ RZ 9905-R ）分别设计制作在两个独立的实验箱中，便于拉开距离，进行微波信号传输、微波通信及微波天线性能测试等实验。3、 该系统微波传输具有 16 个独立信道 ， 能完成微波接力 、 微波组网 、 微波一点对

5、多点等多种形式通信，并且可以避免实验室中多台设备同时工作时的相互干扰。4、 实验箱集成了微波信号的产生、发送、传输、接收、放大、变频、滤波等各种微波信号加工处理过程，既可对微波信号各个加工处理部件进行单独研究测试 ， 同时也可把各部件连接，组成完整的微波通信发、收系统，进行系统调测与研究。5、 自带 140MHZ 中频信号源，微波扫频信号源，仅需配置微波频谱仪，就能完成全部实验。6、 设有微波数据中继模块，可进行 512KB 数据及数字电话复接的微波传输；一套RZ9905-T/R 可进行单向微波数字电话信号及信令自环传输； 两套 RZ9905T/R 可实现微波双工数字电话拨号及通信；选配润众R

6、Z88521 误码仪，能进行微波数据传输及误码率测量 。7、 配有小型电视摄像头和彩色液晶监视器，可实现现场视频图像和语音的微波传输，图像清晰，视觉效果好。(三) 实验目的1、 了解微波测量仪器的测量方法。2、 掌握微波各组件的测试3、 掌握微波发送、接收系统电路连接。4、 掌握微波发送、接收系统测试方法。5、 掌握微波电视信号单向传输系统电路连接。6、 掌握微波电视信号单向传输系统调整。(四) 实验内容1、 正确进行系统电路连接；搞清微波发送、接收系统信号流向及频率的变化。2、 逐级测试微波发送、接收系统各点频谱。3、 测试微波发送、接收系统各级输出功率。4、 正确进行系统电路连接；搞清全电

7、视信号流向及信号频谱的变换过程。5、 进行视频、音频信号调试，试听、试看微波电视信号。6、 评价电视信号传输质量。(五) 准备知识七管收音机组合电路原理我们在暑期实践中曾制作过七管收音机。这对我们理解微波与天线系统有很大的帮助，于是，先将收音机原理介绍如下：七管收音机的电路方框图如图1所示。从图中我们一眼就可看出七管收音机电路的全貌，即主要组成部分及各级电路的功能。-输入回路混频中放1中放2检波前置低放功放AGC本振图1.1 七管收音机的电路方框图从图1所示的方框图可以看出，七管收音机（超外差）的特点是：把接收到的高频调幅信号的载波频率先变为频率较低而且是固定不变的中间频率，再利用中频放大器加

8、以放大。方框图中的变频环节的作用是：把经过选频的高频载波信号（频率为的调幅言号）和由本机振荡器产生的等幅高频信号（频率为）同时加到变频器上，由于变频管的非线性作用，就产生了=-的差频信号，但仍为调幅波。因为差频-低于载频而又高于音频，所以习惯上把它叫做中频（中周）。收音机的中频一般是465kH。在选择电台过程中，本机振荡的频率随接收到的载波频率而变，并维持二者之差，使整个接收频段内均匀工作在465kHz左右，所以中频放大器的谐振回路就不需要调整，这样选择性也容易提高。这种形式的电路一般称为超外差式电路。中频信号经过放大后，仍然是频率比较高的调幅波，从中频调幅波中把音频信号检出来，也仍然称为检波

9、。检波出来的音频信号再经低放（包括功放）电路去推动扬声器发音。这就是超外差式收音机的简单工作过程，各种信号波形如图1所示。第二部分 实验准备(一) 微波测量仪表介绍频谱分析仪工作原理及功能频谱分析仪是一种能在示波管上显示出被测信号频谱幅度特性的仪器 ， 荧光屏的横坐标代表频率，纵坐标代表不同频率分量的幅值。微波频谱分析仪主要用来观察各种已调信号（调幅、调频、脉冲调制）的频谱及功率，测量信号频率、测量振荡器的频率稳定度和频谱纯度，测量波形失真与噪声等。目前频谱仪多采用扫频超外差式，它的灵敏度高，频率分辨率好，噪声小 。 扫频超外差式频谱仪实际是超外差接收机和示波器的组合，它的方框原理如下图所示。

10、被测信号 （ 频率为fs ）经直接输入或衰减后输入，在混频器中与机内本振信号（频率为fp ）进行混频，fo =fp-fs，fo为中频信号频率，中频信号经放大、检波，得到一个和输入信号幅度成正比的直流电压，经垂直放大后加到示波管的垂直偏转板上，这就使电子束在垂直方向的的偏移与输入信号幅值成正比。本振 fp是一个电调谐的扫频振荡器，它的频率受锯齿波电压的扫描发生器控制。频率随锯齿电压作线性变化，该锯齿电压经水平放大器放大后加在示波管的水平偏转板上，这就使电子束在水平方的偏移正比于扫频振荡频率变化，并可折算出输入信号的频率。如果被测信号中有几个分量，由于本振频率fp连续扫频变化，而中频 fo 是固定

11、的，因此信号中的各个频率分量都可以顺序地在fp变化时满足fp-fs=fo ，此时各频率分量顺序通过中放，在示波管的荧光屏上分别显示出来，它们在荧光屏上水平间隔距离反映出它们的频率差，垂直高度代表它们的幅度。这样就得到了信号频谱。扫描超外差式频谱仪的灵敏度主要取决于中频放大器的放大量和内部的噪声，一般能达-100dbm ，频率分辩率主要取决于中放的带宽，考虑到超外差接收机的镜像干扰，频谱仪多采用多级变频方案，如三次或四次变频，第一中频较高，可减小镜像干扰，末级变频后的中频较低有利于减小带宽，降低噪声和提高分辩率。有的频谱仪带宽有多种选择，可满足不同分辩率要求。(二) 系统所含组件原理1、 140

12、MHZ 中频振荡器140MHZ 中频振荡器模块在 RZ 9905-T 微波发射实验系统箱内，电路如图所示，它由T1 、T2 两只晶体三极管等电路组成，T1及周围电路组成电容反馈三点式振荡（又称考必兹振荡器），其等效电路如图 1-2 所示。C 2、C3 为回路电容， L3、C1串联后构成回路电感。图 1-1 中 T2及周围电路为振荡器的放大输出级 。为了在线测量，中频振荡信号被连接到中频信号输入 / 中频振荡器输出测量接头。2、 微波锁相信号源微波锁相信号源的方框原理如图21所示。这是一个典型的锁相环路，图中前置分频器采用 586 pc µ 可编程分频器，选择的分频比为256。比相器、

13、A 程序分频器、N 程序分频器、R程序分频器等均在 MC145152 集成锁相环蕊片内。该蕊片需外接晶体，本机采用的晶体频率为 10MHz 。 3、 变频器上变频器和下变频器电路是相同的，工作原理也相似，但信号的流向两者有所区别。上变频器为例，讲述其工作原理。上变频器有两个信号输入端，一个信号输出端，电路如3-1所示，图中，IF为中频调制信号输入端、LO 为本振信号(亦称载波)输入端、M RF 为上变频已调信号输出端。上变频器的工作原理简述如下：1) 本振信号控制D1 、D2的通断。 2）变频原理。M RF 端的波形为断续的中频调制信号波形。该信号断续的频率由本振信号的频率决定，其波形如图 3

14、-2 所示。3）载漏抑制。4）A、D、B三点载波波形。4、 振荡器压控、扫频振荡器是专门为弥补安泰信AT5011频谱仪的不足而设计的，因为该仪表跟踪振荡器频率为01GHz，而当我们测试微波带通滤波器频率响应时，需要 2.22.6GHz的扫描信号，为此特地设计了扫频振荡器。本模块供电电压为 12伏，压控振荡信号从6C输出， 其电平约为 0dbm。 为了在线测量，压控振荡信号经衰减器送至压控振荡器输出测量接头，电平约为 -10dbm 。5、 放大器放大器电原理如图所示。它由三级放大电路组成，第一级是由Q1管及周围元件组成共发晶体管放大器，第二级、第三级电路与第一级相似。实验中提到的微波功率放大器、

15、微波低噪声放大器、中频放大器等的工作原理均相似，可类比以上放大器的工作原理。6、 滤波器微波发送、接收、中频滤波器是微波工程中重要的部件之一， 理想的滤波器应该是这样一种二口网络，在所要求的频率范围内，能使微波信号无衰减地传输，此频带范围称为通带，在其余的频率范围内使微波信号完全不能传输， 这其余的频率范围称为阻带。一个实际的滤波器只能尽可能地接近理想滤波器的特性。实际滤波器通带与阻带频率是逐渐过渡的，因此需定义通带截止频率和阻带边界频率。通带截止频率可定义为半功率点频率。阻带边界频率可定义为功率衰减 80% 的频率点。（也可定义其它衰减值如90%；衰减20dB等等。）通带最大衰减与阻带最小衰

16、减定义明确，这儿就不多述了。寄生通带是由于微波滤波器是由微波传输线、分布参数元件构成，所以当频率变化时，这些分布参数元件的数值，甚至电抗性质都将发生变化，使得本应是阻带的频段出现了通带，称为寄生通带。微波滤波器的寄生通带应尽可能远离滤波器通带。7、 图像/数据中频调制器图像/数据中频调制器能将电视摄像机、DVD、VCD 的音视频信号进行 FM-VSB调制，产生140MHZ的全电视信号；或将高速和中低速数据进行调制，将频谱搬移至l40MHZ。它们将作为微波发送与接收系统进行微波图像、伴音传输及微波高速和中低速数据传输信源。图像/数据中频解调器主要用于高速及中低速数据信号的解调，将l40MHZ 电

17、视信号还原为音视频信号,它也能将140MHZ已调数据还原为基带数据。第三部分 微波系统测试(一) 微波发送系统1、 原理图：2、 原理简单介绍：从中频振荡器输出的是高频载波，微波锁相源输出的是本振信号，经微波上变频器，产生中频，此中频频率低于载频又高于音频。再经过微波前置放大器，将弱小的信号进行放大。微波发送滤波器用来控制信号的频率响应，是有用信号频率分量几乎无衰减地通过滤波器，而阻断无用信号频率分量的传输。最后。经过微波功率放大器，放大交流信号的功率就是在信号不是真的情况下放大电器的电流和电压来补充所需的功率缺口。通过频谱仪，我们就可以看出各级的输出情况。图二 微波上变频器输出图一 中频振荡

18、器输出3、 实验结果图四 微波发送滤波器输出图三微波前置放大器输出图五 微波功率放大器输出4、 实验结果分析a) 140MHZ中频振荡器输出信号频谱观察。从 AT5011频谱仪显示屏上可以看到 140MH Z中频振荡器信号频谱为线谱，实测频谱图照片如图一所示。该线谱示意图如图3.1所示 。图中左边第三根竖线为140MHZ 中频信号，左边第二根竖线为零频，它相当于频谱图的纵轴。最左边竖线为140MHZ 中频信号的镜像。其它竖线为 140MHZ 中频信号的各次谐波，也统称为杂波。 图3.1 中频振荡器输出频谱示意图b) 从频谱仪上观察到的上变频已调信号结果如图二，有实验测量可写出如下结果（部分图未

19、给出，但实验中已测出）：Fc 幅度-35.59dbmFc-F中 幅度 -43.55dbmFc+F中 幅度-47.59dbmc) 通过前置放大器输出的信号频谱如图三所示。从屏幕上看出谱线较高，屏幕中间的一根为载波, 它右边一根为上边频；其它为组合波干扰。d) 频谱仪输入接到微波发送滤波器输出，在频谱仪上便能观察微波发送滤波器频率响应，图四所示。e) 观察微波功率放大器输出信号频谱。 微波功率放大器输出信号频谱图如图五所示。从图看出为线谱，频率约为 2.26GHZ。(二) 微波接收系统1、 原理图2、 原理简单介绍本系统中的前半部分，微波发送系统中已经详细说明了，这里不再重述。a) 本次试验中用到

20、的天线，如图3.2所示 图3.2 天线实物图微波接收滤波器同发送滤波器工作原理一样，都是使有用信号几乎无衰减通过。微波低噪声放大器，是一种噪声系数很低的放大器，提高输出信噪比。压控振荡器保持工作点稳定。最后经过中频放大器输出，中频放大器是放大器的一种，不仅具有放大功能，还有选频作用，即对特定频段的功率增益高于其他频段的增益。3、 实验结果图七 微波低噪声放大器输出图六 微波接收滤波器输出图九 中频滤波器输出图八 微波压控振荡器输出 图十 中频放大器输出4、 实验结果分析a) 微波接收滤波器输出的频谱中通带最大衰减为6dbm，阻带最小衰减为20dbm。如图六所示。b) 用频谱仪测量“接收滤波器输

21、出 ”和“微波低噪声放大器输出”的信号电平，求出它们差，即为微波低噪声放大器增益。放大增益约为10dbm。c) 微波接收滤波器输出的频谱中通带最大衰减为3dbm，阻带最小衰减为23dbm。如图八所示。d) 中频放大信号输出频率为139,38MHZ。输出幅度随天线之间的距离和方向而变化的。(三) 微波电视信号单向传输系统1、 原理图2、 实验结果比较分析 图3.3 有线时的视频图像图3.4 无线时的视频图像Ø 电视传像具备三个基本环节： （1）摄像 通过光电转换过程，将景物转变为视频全电视信号。 （2）传输 将视频全电视信号通过电缆或者将其调制成高频全电视信号以开路或闭路方式传送到用户

22、端。 （3）接收 经过天线接收或从有线终端将高频全电视信号解调为视频信号，并在显像管的荧光屏上还原为景物的图像。在传输过程中，就会有有线和无线之分。3、有线电视与无线电视的主要区别（1） 传播方式不同。 无线电视采用无线，以开路方式发射电视信号，经空间电磁彼传递到四面八方；有线电视采取闭路传输方式，以电缆、光缆为主要传输媒介，直接向用户传送电视节目。（2） 传播效果不同。 无线电视采用开路发射，势必受到空间电波的干扰、风雨雷电的影响以及房屋建筑、丘陵山坡的阻挡和反射，因此音像效果较差；有线电视采用闭路传输，基本克服了外部因素的影响，能保持稳定清晰的音像效果。（3） 传播节目的数量有差别。 在无

23、线电视系统中，每增加一套节目就必须增加一整套接收和发射设备，而相邻频道、相邻电视台之间可能存在较强的相互干扰，这就限制了节目数量的增加。有线电视有效地抑制了频道间的相互干扰，同一套传输设备传输节目少则数套、多则数十套甚至上百套，而且还可以方便地开展自办节目。（4） 环境条件有差别。 无线电视覆盖面广，适于在人口分散的农村和边远地区兴建。有线电视适于在居民集中的城镇发展，因为它可以克服城市楼顶天线林立的现象。（5） 未来发展有区别 。无线电视依靠增加天线高度和发射功率来扩大覆盖面的作法已经受到了客观条件的限制，利用卫星转播成了目前和将来发展的有效途径。三颗等分定点卫星即可覆盖全球，使无线电视的影

24、响渗透到地球任一角落。同时，卫星电视频道的开发和利用给无线电视文艺台、体育台、电影台、教育台、图文电视等专业节目的发展提供了良机，极大地增强了无线电视的影响力。有线电视在光纤技术支持下与电话的双向通信技术、计算机的多媒体技术相结合，组成综合信息网，使图像、声音、文字数据三者融为一体，给用户提供了全方位、多途径、多功能服务，其发展前景不可限量。（6）无线电视卫星转播给有线电视网提供了丰富的节目源。有线电视接收无线电视信号加以放大，传送到千家万户，既丰富了自身节目，又是对无线电视的补充、延伸和改善。可见，有线电视和无线电视既有区别又密切联系，需要共同发展。第四部分 微波与天线的应用（一） 微波技术

25、的发展与应用随着科学技术的迅速发展和生产工艺的不断改进，微波技术已在许多工业生产领域得到应用。在国内，微波技术已应用于玻璃纤维、化工产品、保温材料、木材等的干燥，食品、医疗的灭菌、干燥和焙烤。并在医疗、环保、农业等领域也有所应用。微波技术的应用，提高了生产效率和产品质量，降低了能耗和环境污染，减轻了人的劳动强度，提高了生产效益。在国际上，许多工业发达国家都对微波的工业应用非常重视，把微波技术作为改进生产工艺和提高产品质量的重要手段。1、 微波的特性Ø 似光性。 微波波长非常小，当微波照射到某些物体上时，将产生显著的反射 和折射，就和光线的反、折射一样。同时微波传播的特性也和几何光学相

26、似，能像光线一样地直线传播和容易集中，即具有似光性。这样利用微波就可以获得方向性好、体积小的天线设备，用于接收地面上或宇宙空间中各种物体反射回来的微弱信号，从而确定该物体的方位和距离，这就是雷达导航技术的基础。Ø 透光性。 微波照射于介质物体时，能深入该物体内部的特性称为穿透性。例如微波是射频波谱中惟一能穿透电离层的电磁波（光波除外）。因而成为人类外层空间的“宇宙窗口”；微波能穿透生物体，成为医学透热疗法的重要手段；毫米波还能穿透等离子体，是远程导弹和航天器重返大气层时实现通信和末端制导的重要手段。Ø 信息性。 微波波段的信息容量是非常巨大的，即使是很小的相对带宽，其可用的

27、频带也是很宽的，可达数百甚至上千兆赫。所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外地都是工作在微波波段。此外，微波信号还可提供相位信息、极化信息、多普勒频率信息。这在目标探测、遥感、目标特征分析等应用中是十分重要的。Ø 非电离性。 微波的量子能量不够大，因而不会改变物质分子的内部结构或破坏其分子的化学键，所以微波和物体之间的作用是非电离的。而由物理学可知，分子、原子和原子核在外加电磁场的周期力作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围，因此微波为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段。2、 微波应用n 微波加热原理与微波炉提起微波，很多人首先想到现代炊具微波炉。微波炉

28、的微波加热原理是基于物质对微波的吸收作用而产生的热效应。微波炉既能用于工业、医疗上进行加热与解冻、烘烤与干燥等，还能用于家庭进行烹饪、野外军事训练进行后勤保障的应用。n 微波的杀伤机理与微波武器什么是微波武器？微波武器是利用高功率微波束毁坏敌方电子设备和杀伤作战人员的一种定向能武器。用作武器的微波波长通常在 30 3 厘米 、频率为130 吉赫、输出脉冲功率在吉瓦级。目前，美、俄、英、法等国研制的微波武器主要分为两大类：一类是高功率微波波束武器，另一类是微波炸弹。3、 微波技术的发展应用前景 n 民以食为天，食品工业是我国迅速崛起的支柱产业。n  用微波可在较低温度下灭菌杀虫。另外还可以利用微波加热血浆、解冻冷藏器官；还可设计微波手术刀，开刀止血快、出血量少。n  半导体生产工艺中已经采用微波等离子体技术，进行刻蚀、溅射、气相沉积、氧化硅片；还可用于金属、合金、非金属的表面处理；用于等离子体光谱分析，可检测十几种元素。（二） 天线技术的发展与应用近年来无线技术的应用愈来愈广，过去各式各样的实际接线也都期望透过无线而获得去线化，使得天线必须依据各种场合需求而有更合适的变化提升。为了更快的传输率，已经开始使用（多组收发天线）技术，是