软件无线电原理与应用第3版 课件 【ch07】无线电通信天线

软件无线电原理与应用（第三版）无线电通信天线第七章高等学校电子信息类精品教材01天线的主要性能指标天线的主要性能指标01方向图及波束宽度天线方向图是表征天线辐射的电磁场大小的三维空间分布图，通过天线方向图可以得到天线不同指向的辐射特性，如方向性系数、波束宽度、副瓣特性等。天线的主要性能指标01方向图及波束宽度描述天线方向图的参数有：波束宽度[一般情况下为半功率(3dB)波瓣宽度，特殊要求下有专门的规定，如10dB波束宽度、零值宽度等]、副瓣电平(指副瓣中的最大值与主瓣最大值之比)。天线方向图示意图如图7.1所示。天线的主要性能指标01方向性系数与增益方向性系数用来描述天线集中在某方向的辐射能量较其他方向辐射能量的强弱特性。天线的主要性能指标01方向性系数与增益天线的主要性能指标01方向性系数与增益引起实际天线的效率下降的因数主要包括：天线电阻损耗、匹配网络损耗以及失配损耗。除了相对于理想点源的增益(也称绝对增益)外，天线增益有时也用相对增益表示，即在给定方向上天线的增益与极化相同的参考天线绝对增益之比，最常见的是以无耗半波偶极子天线为参考天线，单位为dBd,如图7.2所示。天线的主要性能指标01方向性系数与增益天线的主要性能指标01电压驻波比天线的电压驻波比(VSWR)是描述天线输入阻抗与传输线阻抗的失配程度的一个重要参数，它反映了电磁能量通过天线馈线耦合至天线的程度。天线的主要性能指标01电压驻波比天线的主要性能指标01极化天线极化是指在辐射远场区和规定的方向上，天线辐射的电场矢量端点在垂直于电磁波传番方向平面上的轨迹。在笛卡儿坐标系下，沿z轴传播电场可表示为天线的主要性能指标01极化此时，电场矢量的端点轨迹为圆形，极化为圆极化，如图7.3(b)所示。沿传播方向看电场矢量旋转方向是顺(逆)时针的，称为右(左)旋极化。天线的主要性能指标01极化严格意义上说，一个周期内的电场矢量端点的轨迹为椭圆，如图7.3(c)所示。衡量极化特性的一个重要指标为轴比(AR),定义为极化椭圆的长轴与短轴之比：AR=OA/OB02几类基本天线形式几类基本天线形式02电偶极子天线电偶极子天线是最为常见的线天线形式，由对称的二臂振子组成，中心馈电，如图7.4(a)所示，其在垂直于天线振子的平面各方向辐射强度相等，呈现全向特性，在平行于振子平面为8字形方向图。几类基本天线形式02电偶极子天线几类基本天线形式02电偶极子天线电偶极子天线的一个典型的派生产品是定向偶极子天线，如图7.6所示。其结构简单，将一对平板偶极子天线架设在距离反射面约1/4波长的位置，一臂振子直接与同轴电缆外皮连接，同轴芯线通过馈电片与另一臂振子连接，该振子通过短路柱连接至反射板。几类基本天线形式02磁偶极子天线典型的磁偶极子天线是电小环天线，用一根远小于波长的金属导线绕成一定的形状，以导体的两端作为馈电端的环状天线。为了提高电小环天线的辐射效率，可采用多圈环或在环中加入磁芯进行磁加载。常见的电小环天线绕制成圆形环、三角形环或菱形环，如图7.7所示。几类基本天线形式02磁偶极子天线几类基本天线形式02磁偶极子天线图7.8所示分别为电小环天线的模型[图7.8(a)]和仿真方向图[图7.8(b)]。几类基本天线形式02磁电偶极子天线磁电偶极子天线是将电偶极子天线和磁偶极子天线组合在一起的天线形式。电偶极子天线E面方向图为8字，H面方向图为全向的O形，而磁偶极子天线则正好相反，二者间有互补关系。将二者结合的磁电偶极子天线E面和H面方向图宽度相近，且具有定向辐射特性；另外通过合理地选择天线尺寸，可实现较宽的工作频带内平稳的天线阻抗特性，该天线在移动通信的基站上有很多应用。几类基本天线形式02正交偶极子天线正交偶极子天线由两对相互垂直的对称偶极子天线组成，每对偶极子通过独立的馈电电缆馈电，分别组成一线极化天线。两对天线放置在同一口径内，由于彼此正交，相互间具有较好的隔离度。几类基本天线形式02正交偶极子天线几类基本天线形式02微带天线微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。具有质量轻、低剖面的特点，易于与载体共形。几类基本天线形式02Vivaldi天线Vivaldi天线是一种宽带定向天线，具有两个对称的辐射臂，主要组成包括指数渐变槽线(辐射臂)和馈电巴伦。Vivaldi天线是一种指数渐变槽线天线(ExponientiallyTaperedSlotAntenna,ETSA),起初是由PJ.Gibson于1979年提出的。几类基本天线形式02Vivaldi天线几类基本天线形式02喇叭天线喇叭天线是微波波段常用的一种天线形式，其可以作为中等增益的口径天线，同时常作为反射面天线的馈源使用。通过不同的极化激励，喇叭天线可形成不同的极化方式。由于喇叭天线的设计值和实际测量值接近，喇叭天线常用作微波频段的标准天线。基本的喇叭天线形式有以下几种，如图7.17所示。几类基本天线形式02喇叭天线几类基本天线形式02喇叭天线几类基本天线形式02喇叭天线几类基本天线形式02对数周期天线对数周期天线是很常见的宽频带定向天线，由长度按一定比例变化、平行排列的多根电偶极子组合而成，通过平衡传输线(集合线)从最短振子端馈电。天线的电特性随频率的对数作周期性变化，且在一个周期内天线的电特性变化不大。几类基本天线形式02对数周期天线图7.22给出了对数周期天线增益随设计的各参数变化的曲线图。几类基本天线形式02八木天线八木天线是由多根金属细振子组成的定向天线，如图7.23(a)所示。其中由一根有源振子馈电，其余为多根引向器和反射器，反射器的根数通常为一根。有源振子的长度约为二分之一波长，反射器的长度略大于有源振子，而引向器长度略小于有源振子，振子间距为(0.1～0.3)λ。几类基本天线形式02八木天线03可重构天线可重构天线03频率可重构天线图7.24所示为基于圆形微带贴片天线形式实现频率重构的例子。天线结构形式如图7.24(a)所示，天线辐射部分主要为一圆形贴片，在圆形贴片外附加二对矩形贴片，在圆贴片内及4个矩形贴片端焊接6个(3对)pin开关(D1～D6);pin开关的“开”状态近似射频短路、“关”状态近似射频开路。通过控制3对pin开关处于不同的“开”“关”状态，使得微带贴片天线的谐振中心频率分别调整于1.8GHz、2.1GHz、2.4GHz三个频点，如图7.24(b)所示。可重构天线03频率可重构天线可重构天线03极化可重构天线图7.25为一个基于正方形微带贴片天线实现极化可重构的例子。将一个正方形的微带贴片天线4个角与主贴片断开，用4个pin二极管(开关)连接，如图7.25所示。可重构天线03极化可重构天线可重构天线03方向图可重构天线图7.26为一个基于微带八木天线实现方向图重构的例子。天线为一个三振子组成的微带八木天线，其中中间振子馈电(为调节阻抗匹配，馈电位置在非中心位置),外围两个振子为无源振子，将二无源振子靠近二端断开，如图7.26(a)所示，断开处用变容二极管连接。工作时，通过控制加载在变容二极管两端的电压，改变变容二极管的电容值，使得二无源振子的加载电容值发生变化，达到天线的波束指向改变的目的。可重构天线03方向图可重构天线04用于智能处理的阵列天线用于智能处理的阵列天线04一维线性阵列天线一维线性阵列天线是阵列天线的基本形式，其合成的示意图如图7.28所示。用于智能处理的阵列天线04圆形阵列天线另一种常见的阵列为如图7.31所示的圆形阵列，N个天线均匀分布在一个水平面的同心圆上，如图所示。由于圆形阵列在水平面分布的几何特点，可以在水平面360°实现基本一致的性能。用于智能处理的阵列天线04圆形阵列天线用于智能处理的阵列天线04阵列天线的去耦由于天线平台的物理空间限制，天线单元相互靠近，在一般阵列天线的设计中，天线单元间的互耦成为影响阵列天线性能的重要因素。在MIMO系统中，天线互耦的存在会导致系统信道容量的降低；在相控阵系统中，互耦影响可能导致扫描盲点的出现。用于智能处理的阵列天线04阵列天线的去耦用于智能处理的阵列天线04紧耦合天线阵列常规阵列天线设计中，天线阵元作为一个独立的天线辐射单元考虑，组成阵列后，天线单元间的互耦会影响单元的阻抗带宽和辐射特性，抑制天线单元间的互耦是设计天线阵列的主要思路。然而，在宽频带、宽角度扫描的天线阵列中，抑制互耦就成了很难解决的难题。用于智能处理的阵列天线04紧耦合天线阵列用于智能处理的阵列天线