《天線基礎(chǔ)培訓(xùn)》ppt課件

1、天線基礎(chǔ)講座人：李輝,1.1 天線簡介1.1.1天線作用與分類 無線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號功率，通過饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后，由天線接下來（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過饋線送到無線電接收機(jī)?？梢?，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個重要的無線電設(shè)備，沒有天線也就沒有無線電通信。,對于眾多品種的天線，進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸愂潜匾模喊从猛痉诸?，可分為通信天線、電視天線、雷達(dá)天線

2、等；按工作頻段分類，可分為短波天線、超短波天線、微波天線等；按方向性分類，可分為全向天線、定向天線等；按外形分類，可分為線狀天線、面狀天線。,13m衛(wèi)星通信天線,室外電視天線,室外電視天線,高頻地波雷達(dá)天線陣列,054a級530號新型護(hù)衛(wèi)艦雷達(dá)天線),中國海軍051C級驅(qū)逐艦上的防空雷達(dá),短波天線,短波環(huán)形天線,1.2G微波高增益24DB拋物面定向天線,微波衛(wèi)星天線,吸盤式全向天線,八木定向天線,5.8g24dbi定向天線

3、,1.1.2 電磁波的輻射 導(dǎo)線上有交變電流流動時，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長度和形狀有關(guān)。如 圖1.1.2a所示，若兩導(dǎo)線的距離很近，電場被束縛在兩導(dǎo)線之間，因而輻射很微弱；將兩導(dǎo)線張開，如圖1.1.2b所示，電場就散播在周圍空間，因而輻射增強(qiáng)。 必須指出，當(dāng)導(dǎo)線的長度 L 遠(yuǎn)小于波長λ時，輻射很微弱；導(dǎo)線的長度 L 增大到可與波長相比擬時，導(dǎo)線上的電流將大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。,圖1.1.

4、2a 圖1.1.2b,1.2 對稱振子 對稱振子是一種經(jīng)典的、使用最廣泛的天線，單個半波對稱振子可簡單地獨(dú)立使用，也可采用多個半波對稱振子組成天線陣。 兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子，稱半波對稱振子, 見 圖1.2a。另外，還有一種異型半波對稱振子，可看成是將全波對稱振子折合成一個窄長的矩形框，并把全波對稱

5、振子的兩個端點(diǎn)相迭，這個窄長的矩形框稱為折合振子，注意，折合振子的長度也是為二分之一波長，故稱為半波折合振子, 見 圖1.2b。,圖1.2a,圖1.2b,1.3 天線主要參數(shù) 1.3.1 天線方向性 發(fā)射天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向輻射。垂直放置的半波對稱振子具有平放的 “面包圈” 形的立體方向圖（圖1.3.1 a）。立體方向圖雖然立體感強(qiáng)，但繪制

6、困難，圖1.3.1 b 與圖1.3.1 c 給出了它的兩個主平面方向圖，平面方向圖描述天線在某指定平面上的方向性。從圖1.3.1 b 可以看出，在振子的軸線方向上輻射為零，最大輻射方向在水平面上；而從圖1.3.1 c 可以看出，在水平面上各個方向上的輻射一樣大。,1.3.1 a立體方向圖,1.3.1 b垂直面方向圖,1.3.1 c水平面方向圖,天線方向性增強(qiáng)： 若干個對稱振子組陣，能夠控制輻射，把信號進(jìn)一步集中到在水平面

7、方向上。圖1.3.2是半波振子排成天線陣時的方向圖。,單個半波振子垂直面方向圖增益為 G = 2.15 dBi,兩個半波振子垂直面方向圖增益為 G = 5.15 dBi,四個半波振子垂直面方向圖增益為 G = 8.15 dBi,,,,,,,,單個半波振子,兩個半波振子,四個半波振子,,,,,圖1.3.2 天線陣方向圖,也可以利用反射板把輻射能控制到單側(cè)方向，平面反射板放在數(shù)組的一邊構(gòu)成扇形區(qū)覆蓋天線。圖1.3.3說明了反射面的

8、作用------反射面把功率反射到單側(cè)方向，提高了增益。,兩個半波振子 （帶反射板） 垂直面方向圖,,,,,,兩個半波振子（帶反射板） 在垂直面上的配置,,增益為 G = 11 ~ 14 dBi,兩個半波振子（帶反射板）水平面方向圖,圖1.3.3,1.3.2 增益增益是指：在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密

9、切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高?？梢赃@樣來理解增益的物理含義------為在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號，如果用理想的無方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益為 G = 13 dB = 20 的某定向天線作為發(fā)射天線時，輸入功率只需 100 / 20 = 5W 。半波對稱振子的增益為G=2.15dBi。(dBi表示比較對象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源)。,天線增益的若干近似計算式

10、1）天線主瓣寬度越窄，增益越高。對于一般天線，可用下式估算其增益： G（dBi）= 10 Lg { 32000 / （ 2θ3dB,E ×2θ3dB,H ）} 式中， 2θ3dB,E 與 2θ3dB,H 分別為天線在兩個主平面上的波瓣寬度； 32000 是統(tǒng)計出來的經(jīng)驗資料。,2）對于拋物面天線，可用下式近似計算其增益： G（dB i）=10 Lg { 4.

11、5 ×（ D / λ0 ）2} 式中：D 為拋物面直徑； λ0 為中心工作波長； 4.5 是統(tǒng)計出來的經(jīng)驗資料。 3）對于直立全向天線，有近似計算式 G（ dBi ）= 10 Lg { 2 L / λ0 } 式中，L 為天線長度； λ0 為中心工作波長；,1.3.3 波瓣寬度 方向

12、圖通常都有兩個或多個瓣，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。參見圖1.3.3，在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低 3 dB（功率密度降低一半）的兩點(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度（又稱 波束寬度 或 主瓣寬度 或 半功率角）。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。,方位即水平面方向圖,120° (eg),,,峰值,- 10dB點(diǎn),- 10dB點(diǎn),10dB 波束寬度,,60° (eg),

13、,,峰值,- 3dB點(diǎn),- 3dB點(diǎn),3dB 波束寬度,,15° (eg),,,Peak,Peak - 3dB,Peak - 3dB,32° (eg),,,,,,,Peak,Peak - 10dB,Peak - 10dB,,,俯仰面即垂直面方向圖,圖1.3.3,1.3.4 前后比方向圖中，前后瓣最大值之比稱為前后比，記為 F / B 。前后比越大，天線的后向輻射（或接收）越小。如圖1.3.4。 F / B

14、 = 10 Lg {（前向功率密度）/（后向功率密度）},圖1.3.4,1.3.5 上旁瓣抑制 對于基站天線，人們常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向圖中，主瓣上方第一旁瓣盡可能弱一些。這就是所謂的上旁瓣抑制 ?；镜姆?wù)對象是地面上的移動電話用戶，指向天空的輻射是毫無意義的。,1.3.6 天線的極化 天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場和磁場構(gòu)成。人們規(guī)定：電場的方向就是天線極化方向。一般使用的天線為單極化的。

15、下圖示出了兩種基本的單極化的情況：垂直極化---是最常用的；水平極化---也是要被用到的。,,,垂直極化 水平極化,下圖示出了另兩種單極化的情況：+45°極化 與 -45°極化，它們僅僅在特殊場合下使用。這樣，共有四種單極化了 。,,,雙極化天線：下圖示出了另兩種單極化的情況：把垂直極化和水平極化兩種極化的天線組合在一起，就構(gòu)成了一種新的天線---雙極化天線。,極化損失：

16、 垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收，而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。 當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，接收到的信號都會變小，也就是說，發(fā)生極化損失。例如：當(dāng)用+ 45°極化天線接收垂直極化或水平極化波時，或者，當(dāng)用垂直極化天線接收 +45° 極化或 -45°極化

17、波時，等等情況下，都要產(chǎn)生極化損失。,極化隔離： 當(dāng)接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時，例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來波，或用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來波時，天線就完全接收不到來波的能量，這種情況下極化損失為最大，稱極化完全隔離。 理想的極化完全隔離是沒有的。例如下圖所示的雙極化天線中，設(shè)輸入垂直極化天線的功率為10W，結(jié)果在水平極化天線的輸出端測得的輸出功率為 10mW。,垂直極化，1

18、0 W,水平極化，10 mW,在這種情況下的極化隔離為X=10Lg(10,000mW/10mW)=30(dB),1.3.7 天線的輸入阻抗 Zin 定義：天線輸入端信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。 輸入阻抗具有電阻分量 Rin 和電抗分量 Xin ，即 Zin = Rin + j Xin 。電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，因此，必須使電抗分量盡可能為零，也就是應(yīng)盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事

19、實(shí)上，即使是設(shè)計、調(diào)試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個小的電抗分量值。,輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作波長有關(guān)，半波對稱振子是最重要的基本天線 ，其輸入阻抗為Zin = 73.1＋ｊ42.5 (歐) 當(dāng)把其長度縮短（３～５）％時，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，此時的輸入阻抗為 Zin = 73.1 (歐) ,（標(biāo)稱 75 歐） 。注意，嚴(yán)格的說，純電阻性的天線輸入阻抗只是對點(diǎn)頻（即某一特定頻率）而

20、言。,在不匹配的情況下,饋線上同時存在入射波和反射波。兩者疊加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相減為最小，形成波節(jié)。這種合成波稱為駐波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系數(shù)Γ 。 駐波波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù)，也叫電壓駐波比(VSWR)終端負(fù)載阻抗和特性阻抗越接近，反射系數(shù)越小，駐波系數(shù)越接近于１，匹配也就越好。,1.4 移動通信常用

21、基站天線與室內(nèi)天線1.4.1 板狀天線,,無論是GSM 還是CDMA， 板狀天線是最為普遍的一類基站天線。這種天線的優(yōu)點(diǎn)是：增益高、扇形區(qū)方向圖好、后瓣小、垂直面方向圖俯角控制方便、密封性能 可靠以及使用壽命長。其具體指標(biāo)如下表所示。,1.4.2 八木定向天線八木定向天線，具有增益較高、結(jié)構(gòu)輕巧、架設(shè)方便、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)。因此適用于點(diǎn)對點(diǎn)的通信，例如它是室內(nèi)分布系統(tǒng)的室外接收天線的首選天線類型。 八木定向天線的單元數(shù)越

22、多，其增益越高，通常采用 6 - 12 單元的八木定向天線，其增益可達(dá) 10-15dBi。,1.4.3 室內(nèi)吸頂天線,室內(nèi)吸頂天線必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。 這種吸頂天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，雖然尺寸很小，但由于是在天線寬帶理論的基礎(chǔ)上，借助計算機(jī)的輔助設(shè)計，以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試，所以能很好地滿足在非常寬的工作頻帶內(nèi)的駐波比要求，按照國家標(biāo)準(zhǔn)，在很寬的頻帶內(nèi)工作的天線其駐波比指針為VSWR ≤ 2 。當(dāng)然，能達(dá)到VSWR

23、≤ 1.5 更好。順便指出，室內(nèi)吸頂天線屬于低增益天線, 一般為G = 2 dBi。,1.4.4 室內(nèi)壁掛天線,室內(nèi)壁掛天線同樣必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。 這種壁掛天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，屬于空氣介質(zhì)型微帶天線。由于采用了展寬天線頻寬的輔助結(jié)構(gòu)，借助計算機(jī)的輔助設(shè)計，以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試，所以能較好地滿足了工作寬頻帶的要求。順便指出，室內(nèi)壁掛天線具有一定的增益，約為G = 7 dBi。,1.5 天線測試方法1.5.1

24、測試場,室外測試場如圖1.5.1,圖1.5.1,室內(nèi)測試場如圖1.5.2,圖1.5.2,圖1.5.3,圖1.5.4 完整測試系統(tǒng),1.5.2 天線測量,1. 駐波比測量,2. 阻抗測量,方向圖測量如圖1.5.5所示。,圖1.5.5,最小距離,,Rmin,,試驗?zāi)康?高/低溫試驗 濕熱試驗 正弦振動試驗 沖水試驗 汽車運(yùn)輸試驗,五、環(huán)境與可靠性試驗,,五、環(huán)境與可靠性試驗,試驗?zāi)康?環(huán)境試驗提供了一種確定的、驗證環(huán)

25、境影響的手段，目的在于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇以及工藝方面的缺陷，以便采取適當(dāng)?shù)拇胧?，改進(jìn)產(chǎn)品預(yù)期使用環(huán)境的適應(yīng)性；      其次是鑒定、考核產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性，驗證是否滿足標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范或用戶的要求。,,高溫試驗,目的：評價其在一定的高溫條件下貯存和使用的適應(yīng)性。,,低溫試驗,目的：評價其在一定的低溫條件下貯存和使用的適應(yīng)性。,,恒定濕熱試驗,目的：評價其在一定的濕熱條件下貯存和

26、使用的適應(yīng)性。,,高/低溫、濕熱試驗合格判定,,京信高低溫箱設(shè)備指標(biāo),工作室尺寸：W1970×H2100×D3500；溫度范圍：－55℃ ～＋85℃；溫度波動度：±0.5℃；溫度均勻度：≤2℃；溫度偏差：±2℃；升/降溫速率：1℃/ min；濕度范圍：20～98% R.H (at 20℃～+70℃)；濕度偏差：±2.0% R.H(濕度≥75% R.H時)

27、 ±3.0%RH（濕度≤75% R.H時）可做試驗項目: 高溫試驗 高溫試驗 恒定／交變濕熱,,正弦振動試驗,目的：用于具有較高加速度試驗要求的部件試驗,,正弦振動試驗,,正弦振動試驗合格判定,,沖水試驗,目的：檢查產(chǎn)品的防水性能,,沖水試驗,,沖水試驗合格判定,,汽車運(yùn)輸試驗,目的：檢測產(chǎn)品包裝設(shè)計是否符合運(yùn)輸條件,,載荷：100kg 振幅： 0～25.4mm

28、 振動方式：回轉(zhuǎn)（2～5Hz）( 轉(zhuǎn)速120～300rpm) 振動頻率：1.6HZ5HZ±0.1%(HZ) 振動轉(zhuǎn)速：（轉(zhuǎn)/分）80～280±1%RPM）連續(xù)可調(diào),京信設(shè)備指標(biāo),,測試步驟 初始檢驗：試驗前，在常溫條件下對被測天線進(jìn)行性能測試。 將被測天線安裝在振動臺上，應(yīng)保證安裝牢固可靠。 按上述條件進(jìn)行試驗。 最后檢驗：重復(fù)初始檢驗的全部測試項目。,汽車運(yùn)輸試驗,,汽車運(yùn)輸試驗合格判定,歡迎提問、討