天线的极化与多工器

1、五、天线的极化一、直线极化 所谓电波的极化是指电场矢量的方向和电波传播方向间的相对关系。电波传播时，电场矢量的振动总维持其特定的方向，如果在传播过程中电场矢量方向维持不变，叫做线极化。通常，在工程上以地表面作为参考面，电场矢量E的方向与地面垂直，这种极化方式，叫做垂直极化。 电场矢量E的方向与地面平行，就叫做水平极化。电场矢量E的方向与地面成一定角度，则仍线极化波，但它既具有水平极化分量，又具有垂直极化分量。 与地面垂直放置的发射天线发出的波是垂直极化波，与地面打平放置的发射天线发出的波是水平极化波。 由于发射天线发出的电波，要经过一段相当复杂的传播途径才能到达接收天线，因此，接收天线处的无线

2、电波不一定是单一极化特性的电波。例如电视室内鞭形接收天线，往往是与地面外交一定角度时收看的效果为最好。二、圆极化若电场矢量在传播过程中不是固定在一个方向，而是旋转的，则电场矢量的端点将以等角速度旋转，其轨迹为一个圆，因此叫做圆极化波。根据电场矢量的水平分量和垂直分量间的相位差的不同，旋转方向可以是右旋的或左旋的。如果面向电波传去的方问，电场矢量E作顺时针方向旋转，称右旋圆极化波；E作逆时针方向旋转，称左旋圆极化波。 把相位差90°或270°的水平极化波和垂直极化波两个波合成可得到圆极化波，见下图。 设 Ex=EmcostEy=Emsint合成电场是： E=Em=常数它的方向

3、由下式决定： tg= =tgt 即=t这表示合成电场的大小不随时间改变。但方向却随时间改变。合成电场的矢端在一圆上以角速度旋转。 当Ey较Ex滞后90°时，电场矢量沿逆时针方向旋转（左旋）；当Ey较Ex超前90°时，电场矢量沿顺时针方向旋转（右旋）。 更为普遍的情况是，电场矢量的端点在一椭圆上旋转，这时就叫做椭圆极化波。实际上圆极化只是椭圆极化的一个特例。 使用圆极化波的优点是：接收天线的位置在与地平面作任何倾斜、功能等效地进行接收，因而天线的位置如倾斜度等易于调节，使用圆极化波可改善重影，因为当圆极化的直射波是右旋时，电波遇到建筑物产生反射，反射波就变为左旋，利用接收机的

4、鉴别作用，例如采用右旋圆极化天线接收，则可以达到改善重影的目的。 在广播系统中的中波调幅广播采用垂直极化波；短波调幅广播采用水平极化波。在我国上世纪,绝大部分调频发射台的天线,采用水平极化,很少有采用垂直极化的，但近十年来大部分都是采用垂直极化.至于圆极化,是上世纪六十年代发展起来的一种极化方式,西半球大多数广播电台已改用了圆极化天线.实践证明,圆极化天线可以使调频广播服务区域内各种类型的接收天线都能良好地接收.但圆极化也有其缺点,即在保证相同覆盖场强的条件下需要增加发射机功率,天线结构复杂,成本较贵.这些缺点与其优点相比,就有一个权衡. 圆极化天线 六、调频多工器 多工器是由三分贝电桥和带通

5、滤波器组成。我们先讲一下三分贝电桥的工作原理： 一、定向耦合器的工作原理定向耦合器是一个4端口的器件。它是由互相耦合的两段带状线构成的。其中，两段长度为L的带状线平行放设，并且拥有一个公共的外导体，如下图1所示。在图1中，若设端口 1是信号输人端，其它端口都终接负载，并使该系统处于完全匹配状态，则这时可画出定向耦合器的工作原理图来，如图2所示。由图可见，当信号源由带状线端口输入时，带状线14中有交变电流i流过。这时，由于二带状线（即带状线2 3与带状线14）互相靠近，根据电磁感应定律可知，在带状线23中将通过磁场感应出电流i来（即磁场耦合），其方向如图中所标。同时，在二带状线间又存在着一定电场

6、，它相当于是电容Co的耦合，致使带状线23中引起电流ic（即电场耦合）。显然，当二带状线间的电磁场耦合调整得合适时，致使在2端口电场耦合的电流ic与磁场耦合的电流i二者大小相等、方向一致，故在2端口二者相加，得到耦合信号输出；而在3端口，ic与i大小相等、方向相反，故在3端口二者互相抵消而无输出。由此可见，当1端口作为信号输入端时，输人信号除有部分直接传输至4端口输出外，还有部分信号耦合至2端口输出，而3端口无输出。同理，当2端口作为输入端时，除部分信号直接传输至3端口输出外，还有部分信号耦合至1端口输出，而4端口无输出。其余类推。显而易见，由于耦会输出具有一定的方向，故称它为定向耦合器。此外

7、，为了在电路中表示定向耦合器的特性，通常把信号输入的端口称为输入端；直接传输信号的端口称为直通端，耦合输出的端口称为耦合端，无输出的端口称为隔离端。采用电路符号来表示，如图3所示。用它就可以方便地来分析定向耦合器的工作情况。二、定向招合器的主要性能指标 定向耦合器的主要性能指标，常用耦合量和方向性来表征。其中，耦合量以耦合系数表示，方向性以定向性系数表示。（一）耦合系数 定向耦合器的耦合系数，通常有电压耦合系数与功率耦合系数之分。其中，电压耦合系数（用Cv表示）是指耦合端输出电压Uom与输入端输入电压Ui振幅之比，即： Cv=UomUi 而功率耦合系数（用Cp表示）是指耦合输出端输出功率Pom

8、与输入端输人功率Pi之比，即： Cp= = Cv2 通常用dB数表示，即： Cp(dB)=10Lg =20Lg (dB) 由于输入端的输人功率总是大于耦合输出端输出功率的，所以功率耦合系数用dB数来表示必然为负值，但在工程中，习惯上只说它的绝对值，例如3dB定向耦合器，就是指功率耦合系数用dB数表示为-3dB，其余类推。 （二） 定向性系数 对于定向耦合器来说，在理想情况下，当输人端加人信号时，除直通端有输出之外，耦合端也有信号输出，而隔离端应为零。但是，在实际工作中，由于结构或设计不佳，隔离端常有一定的输出，所以为了能定量衡量这一性能，工程上引入了定向性系数这一概念。所谓定向性系数，是指耦合

9、端所得到的功率Pom与隔离端所得到的功率Poo之比，通常用dB数表示，即：D=10Lg Pom Poo(dB) 由此可见，定向耦合器的定向性系数dB值越大时，就表明定向性越好。通常，定向性系数D=2040dB。三、 三分贝定向耦合器 定向耦合器在工程应用中，常分为强定向耦合器和弱定向耦合器两大类。强定向耦合器是指耦合量为3dB（0.5）、4.7dB（13）甚至10dB（110），都属于强定向耦合器，其耦合线的长度通常为4，即电角度为90°；弱定向耦合器是指耦合量为2050dB，甚至更弱，都属于弱定向耦合器，其耦合线长度通常远短于4，电角度有时仅有10°，甚至更小。对于强定向

10、耦合器而言，3dB定向耦合器被广泛应用于功率合成与分配的场合，例如双工器等。就功率合成与分配来说，由于耦合器的=90°，所以当1端口作为输入端，输人电压为U1时；2端口为耦合端，输出电压为U2（相位与U1相同）；4端口为直通端，输出电压为U4（相位滞后于U190°）；3端口为隔离端，输出电压U3=0，如图4所示。显然，3dB定向耦合器在理想情况下，输人和输出功率间的关系可由下列各式表示： P 1= P 2= = =Pi P3=0 P4= =Pi 式中，R为各端口所接匹配负载。由此可见，利用3dB定向耦合器，当1端口输入功率时，在2端口和4端口将各得到一半输入功率，即实现二等

11、功率分配。由于在这种功率分配时，2端口和4端口所得到的输出电压，二者在相位上相差90°，故有时又称为90°分配。对于功率合成来说，利用3dB定向耦合器，将两个在相位上差90°的信号源加在它的对角线端口上，如图5所示。这样，根据3dB定向耦合器的基本原理可知，对于加在1端口的信号电压U1来说,4端口为直通端，输出电压为 U1 -j90 ；2端口为耦合端，输出电压为 U1 ；3端口为隔离端，理想情况下输出为零。对于加在3端口的信号电压U2ej90°来说，4端口为耦合端，输出电压为 ej90°；2端口为直通端，输出电压为 ej180° ；1端口为隔离端，在理想情况下输出为零。显然，当两信号源的电压，二者振幅相等且相位相差90°，同时分别加至1端口和3喘口（如图6中所示）时，则由上述可知，在2 端口由于两个输出电压振幅相等、相位相反，故二者相互抵消总输出为零，而在4端口由于两个输出电压振幅相等、相位同相，故二者同相相加，总输出电压 ej90°（或ej90°）。