第4章电视接收天线

第四章电视接收天线电视接收天线是如何发明的：

1949年，美国一位经营天线电器具的商人约翰.威尔逊发明高架设室外天线。天线(广泛意义)

通信的目的是传递信息,根据传递信息的途径不同,可将通信系统大致分为两大类:一类是在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息,即所谓的有线通信,如电话、计算机局域网等有线通信系统;另一类是依靠电磁辐射通过无线电波来传递信息,即所谓的无线通信,如电视、广播、雷达、导航、卫星等无线通信系统。在如下图所示的无线通信系统中,需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波,或者将无线电波转换为导波能量,用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。

图4–1无线电通信系统框图第一节天线的基本原理

一.天线的工作原理

天线是一种向空间辐射电磁波或者从空间接收电磁波能量的装置。电视接收天线作为有线电视系统接收开路信号的设备，其作用是将空间接收到的电磁波转换成在传输线中传输的射频电压或电流，接收天线输出的信号质量好坏，将直接影响到电视信号在系统内传输的质量。可以设想，若天线输出的信号中含有空间反射波干扰（右重影），或其它噪声干扰（如工业干扰），则在后续的电路中很难将这些干扰消除掉。二、接收天线的基本工作原理

天线本身就是一个振荡回路，但它与普通ＬＣ振荡回路不同，它是普通ＬＣ振荡回路的变形。如图4－2所示。

从图中电路的演变过程可见“图4－2（a）、（b）、（c）”，发射天线是利用了空间作为电容器两极板间的电感线圈的磁场，使得高频电磁波信号能够形成开路发射“图4－2（d）”，在发射过程中，已调制的高频信号电流由传输线从发射机输送到天线上，该天线便把高频信号电流转变成相应的电磁波能量，并向空间辐射。

图4-2闭路振荡回路及天线开路发射

电磁波的能量从发射天线辐射出去以后，将沿地表面所有方向向前传播。若在离发射天线一定距离处设置接收天线，由于磁力线切割了接收天线（由金属导体组成），就会在接收天线中激励感应电动势，其频率与发射的振荡频率相同，因此，接收天线就会输出电信号。由于天线具有“可逆性”，即：一副天线，既可作为发射天线使用，也可作为接收天线使用，它们所有的性能、参数均保持不变，称为天线的互易原理。所以接收天线的工作原理和发射天线的工作原理类同。三、天线的作用1、辐射和接收电磁波。由发射天线产生的电磁波向空中辐射，当接收天线受到空中电磁波磁力线的切割时，就在天线两端激起一定的交变电压——电动势，并转化成高频电流，通过同轴射频电缆传送给有线电视的前端处理设备。当然能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。例如任何高频电路，只要不是完全屏蔽起来的，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或者从周围空间或多或少地接收到电磁波。但是，任意一个高频电路并不一定能作天线，因为它辐射和接收电磁波的效率很低。只有能够有效地辐射和接收电磁波的设备才有可能作为天线使用。2、第二个作用是”能量转换”。天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统,其次要求天线与发射机或接收机匹配。大家知道，发信机通过馈线送入天线的并不是无线电波，收信天线也不能直接把无线电波送入收信机，这里有一个能量的转换过程，即把发信机所产生的高频振荡电流经馈线送入天线输入端，天线要把高频电流转换为空间高频电磁波，以波的形式向周围空间辐射。反之在接收时，也是通过收信天线把截获的高频电磁波的能量转换成高频电流的能量后，再送给收信机。显然这里有一个转换效率问题。天线增益越高，则转换效率就越高。3、增加接收电视信号的距离。

根据前述视距计算公式H＝4.12（）（km），电磁波的传播距离与发射天线的高度和接收天线的高度有关。当电视发射天线高度已定的情况下，适当增加接收天线的架设高度就可以增加开路电视信号的接收距离。4、提高接收电视信号的质量。

由于空间存在着各种频率成份的无线电波，这些无线电波的方向来自于四面八方，对于需要接收的电视频道而言，其它无线电波均是干扰源，通过选择方向性强，具有一定工作频带宽度的接收天线，可以提高接收电视信号的质量。

除此之外，对天线有几个要求：1、天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上,或对确定方向的来波最大限度的接受,即天线具有方向性。

2、天线应能发射或接收规定极化的电磁波,即天线有适当的极化。

3、天线应有足够的工作频带。以上是天线最基本的功能和要求,据此可定义若干参数作为设计和评价天线的依据。通信的飞速发展对天线提出了许多新的要求,天线的功能也不断有新的突破。除了完成高频能量的转换外,还要求天线系统对传递的信息进行一定的加工和处理,如信号处理天线、单脉冲天线、自适应天线和智能天线等。特别是自1997年以来,第三代移动通信技术逐渐成为国内外移动通信领域的研究热点,而智能天线正是实现第三代移动通信系统的关键技术之一。

研究天线问题,实质上是研究天线在空间所产生的电磁场分布。空间任一点的电磁场都满足麦克斯韦方程和边界条件,因此,求解天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件,但这往往十分繁杂,有时甚至是十分困难的。在实际问题中,往往将条件理想化,进行一些近似处理,从而得到近似结果,这是天线工程中最常用的方法；在某些情况下,如果需要较精确的解,可借助电磁场理论的数值计算方法来进行。四、天线的分类

天线的种类很多，按用途可将天线分为通信天线、广播电视天线、雷达天线等;按工作波长,可将天线分为长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等；按辐射元的类型可将天线分为两大类:线天线和面天线。所谓线天线是由半径远小于波长的金属导线构成,主要用于长波、中波和短波波段;面天线是由尺寸大于波长的金属或介质面构成的,主要用于微波波段,超短波波段则两者兼用。把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统。馈线的形式随频率的不同而分为双导线传输线、同轴线传输线、波导或微带线等。由于馈线系统和天线的联系十分紧密,有时把天线和馈线系统看成是一个部件,统称为天线馈线系统,简称天馈系统。第二节天线的主要参数一、输入阻抗

天线输入阻抗关系到天线能否尽可能多地接收来自自由空间的电磁波能量，天线的输入阻抗为：

Ｚin＝

（Ω）

（4—1）式中

Ｕin——天线输入端（即天线与馈线连接的端面）的高频电压；Ｉin——天线输入端的高频电流。

Ｚin由电阻Ｒin及电抗Ｘin组成，即：

Ｚin＝Ｒin＋jXin

（Ω）

（4—2）式中

Ｒin——天线的输入电阻；

Xin——天线的输入电抗。

基本半波振子天线是接收天线中最简单的一种，其天线长度接近（略短于）接收信号的半个波长（λ/2），此时，天线处于谐振状态，输入阻抗呈现纯电阻，振子上的电压波和电流波如图4-3所示。由于振子上电流的非均匀分布，使振子各点的阻抗都不一样，因此，馈电点不同，输入阻抗也不同，电视接收天线中的基本半波振子天线采用中心馈电法，此时的输入阻抗最小，约为73.1Ω，近似取值为75Ω。图4-3基本半波振子天线将图4-3所示的基本半波振子天线的两个尾端用导体连接起来，便构成折合半波振子天线，如图4-4所示：

基本半波振子天线的电流腹点最大值为Ｉｍ，半波折合振子的电流被平均分配在上下两导体上，因此，每根导体上的电流腹点最大值为（Ｉｍ/2）。设基本半波振子天线的输入阻抗为Ｒ1，输入功率为Ｐ1；半波折合振子天线的输入阻抗为Ｒ2，输入功率Ｐ2；当两天线馈以相同的功率时，有：图4-4折合半波振子天线图4-5基本半波振子与半波折合振子的等效电路

二、电压驻波比

当天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗不一致时（通常把这种现象称为不匹配或失配），就会反射。在这种情况下，接收到的信号功率不能全部送入前端系统，当馈线较长且严重失配时，就会产生重影。

天线接收到的射频信号，从天线馈给馈线，再由馈线传送至前端设备，若相互之间的阻抗不匹配，则会在馈线中形成入射波与反射波的迭加，形成驻波。通常采用电压驻波比（VSWR）定量衡量，其定义为：

VSWR＝

（4-3）式中

Vmax——产生驻波时的最大电压值（波腹）；

Vmin——产生驻波时的最小电压值（波节）。

当电压驻波比VSWR＝1时，即阻抗匹配。一般情况下，

VSWR≥1，VSWR越大，说明天线与馈线的匹配越差。三、频带宽度

任何电视接收天线都是工作在一定的频率范围内。规定天线输送到馈线的功率下降到最大输出功率的一半时，所对应的频率范围称为天线的频带宽度。在此频带宽度内，天线的各种电气性能（增益、方向性、电压驻波比等）基本保持不变。

单频道天线一般应能满足8MHz带宽，宽频带天线的带宽，则根据需要而定。

四、方向性

天线的方向性表示天线接收不同方向传来的电磁波的能力。天线的方向性通常采用方向性图表示。不同的电视接收天线，其方向性图有差异。为了方便对各种天线的方向图特性进行比较,就需要规定一些特性参数。这些参数有:主瓣宽度、旁瓣电平、前后比及方向系数等。

1）主瓣宽度

主瓣宽度是说明天线方向性的一个指标。某天线方向性图如图4-5所示，其中主瓣是波瓣中最大的瓣，它集中了天线接收功率（或场强）的主要部分。除了主瓣外，其余的瓣都是副瓣，副瓣代表天线在不需要的方向上接收的功率（即干扰信号的功率），副瓣电平越高，越容易接收干扰波，希望它越小越好。与主瓣方向完全相反的为后瓣，表示天线接收后方向干扰信号的能力，希望后瓣也是越小越好。

图4-5极坐标场强方向性图

不同的接收天线，主瓣宽度不一样，主瓣宽度越尖锐，说明天线定向接收能力越好，即抗干扰能力越强。天线主瓣宽度采用半功率角2θ0.5表示，它是指接收天线的功率密度从最大接收方向上功率密度下降一半所对应的角度。也可用场强从最大值下降到0.707倍最大值所对应的角度表示。一般情况下，UHF频段2θ0.5角度较小。

2）前后比

前后比是衡量天线排除后向干扰能力的一个重要指标。它是指接收天线的前向最大接收能力与后向最大接收能力的比值，前后比越大，说明天线抗后方向干扰的能力越强。

3）旁瓣电平旁瓣电平是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平,一般以分贝表示。方向图的旁瓣区是不需要辐射的区域,所以其电平应尽可能的低,且天线方向图一般都有这样一条规律:离主瓣愈远的旁瓣的电平愈低。第一旁瓣电平的高低,在某种意义上反映了天线方向性的好坏。另外,在天线的实际应用中,旁瓣的位置也很重要。

五、增益

天线增益表示天线在特定方向接收信号的能力。在有线电视系统中，天线增益采用相对增益表示，即相对于基本半波振子的功率增益。当天线最佳取向时，天线输出端的匹配负载中所吸取的功率（P1），与在相同条件下基本半波振子天线输出端匹配负载中所吸取的功率（P0）的比值，称为该天线的相对增益（G）

G＝10lg(P1/P0)dB

或

G＝20lg(E1/E0)dB

若某天线的增益为6dB，则表示该天线的增益比基本半波振子天线高6dB。六、极化特性极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。具体地说,就是在空间某一固定位置上,电场矢量的末端随时间变化所描绘的图形。该图形如果是直线,就称为线极化;如果是圆，就称为圆极化;如果是椭圆，就称为椭圆极化。如此按天线所辐射的电场的极化形式,可将天线分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化又可分为水平极化和垂直极化;圆极化和椭圆极化都可分为左旋和右旋。当圆极化波入射到一个对称目标上时,反射波是反旋向的。在传播电视信号时,利用这一特性可以克服由反射所引起的重影。七、频带宽度对天线的电参数的影响天线的电参数都与频率有关,也就是说,上述电参数都是针对某一工作频率设计的。当工作频率偏离设计频率时,往往要引起天线参数的变化,例如主瓣宽度增大、旁瓣电平增高、增益系数降低、输入阻抗和极化特性变坏等。实际上,天线也并非工作在点频,而是有一定的频率范围。当工作频率变化时,天线的有关电参数不应超出规定的范围，这一频率范围称为频带宽度,简称为天线的带宽。八、有效长度

有效长度是衡量天线辐射能力的又一个重要指标。天线的有效长度定义如下:在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不变的条件下,假设天线上电流分布为均匀分布时天线的等效长度。它是把天线在最大辐射方向上的场强和电流联系起来的一个参数,通常将归于输入电流I0的有效长度记为hein,把归于波腹电流Im的有效长度记为hem。显然,有效长度愈长,表明天线的辐射能力愈强。第三节半波振子天线一、基本半波振子天线二、折合半波振子天线第四节常用的天线天线种类有很多：对称振子天线阵列天线直立振子天线与水平振子天线引向天线与电视天线移动通信基站天线螺旋天线行波天线宽频带天线缝隙天线微带天线智能天线一、引向天线

引向天线又称八木天线（上个世纪二十年代，日本东北大学的八木秀次和宇田太郞两人发明了这种天线，被称为“八木宇田天线”，简称“八木天线”。）。引向天线既可以单频道使用，也可以多频道共用；既可作VHF接收，也可作UHV接收。引向天线具有结构简单，馈电方便，易于制作，成本低，风载小等特点，是一种强定向天线。在有线电视系统中，广泛采用引向天线接收空间开路电视信号。

典型的八木天线应该有三对振子，整个结构呈“王”字形。与馈线相连的称有源振子，或主振子，居三对振子之中，“王”字的中间一横。比有源振子稍长一点的称反射器，它在有源振子的一侧，起着削弱从这个方向传来的电波或从本天线发射去的电波的作用；比有源振子略短的称引向器，它位于有源振子的另一侧，它能增强从这一侧方向传来的或向这个方向发射出去的电波。引向器可以有许多个，每根长度都要比其相邻的并靠近有源振子的那根略短一点。引向器越多，方向越尖锐、增益越高，但实际上超过四、五个引向器之后，这种“好处”增加就不太明显了，而体积大、自重增加、对材料强度要求提高、成本加大等问题却渐突出。通常情况下有一副五单元八木（即有三个引向器，一个反射器和一个有源振子）就够用了。引向天线的结构

在引向天线中，各无源振子虽不直接馈电，但在有源振子的作用下，会产生感应电动势和感应电流，其幅度、相位和无源振子到有源振子的距离有关，因为当振子间的距离不同时，电波走过的途径也不同；还和无源振子的长度有关，当振子略短于半个波长时呈容性，振子略长于半个波长时呈感性。选择引向器的长度略小于λ/2，引向器之间的距离和到有源振子的距离略小于λ/4，可以使引向器和有源振子在主方向上产生的电磁场相加。选择反射器的长度略大于λ/2，反射器到有源振子的距离略大于λ/4，也可以使反射器和有源振子产生的电磁场在主方向上相加。由电视发射塔辐射的电波，经引向器的引导和反射器的反射后，将使有源振子沿着接收方向形成单方向的接收。引向天线的设计见教材P56。结合P62习题4.课堂练习二、组合天线

为了进一步提高天线的方向性和增益，可以利用几副多单元天线组成组合天线，或称为天线阵。

1．等幅同相天线阵天线阵排列方法有多种形式。一种为水平排列，即将几副结构相同的引向天线，按相等间距在水平线上排列，称为“列”，也称为水平天线阵，如下图（a）所示。另一种为垂直排列，即将几副结构相同的天线按相等的距离在垂直方向上排列，称为“层”，也称垂直天线阵，如下图（b）所示。水平天线阵能提高天线的增益，天线数目越多，增益也越大。水平天线阵也能改变天线的水平方向性，使水平波瓣变窄，天线数目越多，水平方向性越尖锐，抗水平方向的干扰能力越强。

垂直天线阵同样能提高天线的增益，天线数越多，天线阵的增益也越高。垂直天线阵也能改变天线的垂直方向性，而且天线数目越多，垂直方向性越好。

2、可变方向性天线阵

电视信号由于受到高大物体影响形成多经反射波，它们比直射波滞后一段时间到达天线，因此，在电视主图像右侧出现重影。若反射波来自斜向，可通过改变天线阵的方向性来抑制反射波造成的重影。可变方向性天线清除重影的原理是调整双层或双列二元天线阵的间距或它们之间的相移，使天线方向性图的零辐射角对准反射波的来向，从而达到消除重影的目的。

a移相天线的组成原理b差值天线的组成原理

其他几种天线1、旋转抛物面天线旋转抛物面天线是在通信、雷达和射电天文等系统中广泛使用的一种天线,它是由两部分组成的,其一是抛物线绕其焦轴旋转而成的抛物反射面,反射面一般采用导电性能良好的金属或在其它材料上敷以金属层制成;其二是置于抛物面焦点处的馈源（也称照射器）。馈源把高频导波能量转变成电磁波能量并投向抛物反射面,而抛物反射面将馈源投射过来的球面波沿抛物面的轴向反射出去,从而获得很强的方向性。

2、卡塞格伦天线卡塞格伦天线是双反射面天线（旋转抛物面作主反射面,旋转双曲面作副反射面）,它已在卫星地面站、单脉冲雷达和射电天文等系统中广泛应用。与单反射面天线相比,它具有下列优点:①由于天线有两个反射面,几何参数增多,便于按照各种需要灵活地进行设计;②可以采用短焦距抛物面天线作主反射面,减小了天线的纵向尺寸;③由于采用了副反射面,馈源可以安装在抛物面顶点附近,使馈源和接收机之间的传输线缩短,减小了传输线损耗所造成的噪声。

卡塞格伦天线是由主反射面、副反射面和馈源三部分组成的。主反射面是由焦点在F焦距的f抛物线绕其焦轴旋转而成;副反射面是由一个焦点在F1（称为虚焦点,与抛物面的焦点F重合）,另一个焦点在F2（称为实焦点,在抛物面的顶点附近）的双曲线绕其焦轴旋转而成,主、副面的焦轴重合;馈源通常采用喇叭,它的相位中心位于双曲面的实焦点F2上,如图所示。

3、智能天线（SmartAntenna或IntelligentAntenna）。最初应用于雷达、声纳及军用