天線基礎(chǔ)知識(shí)講座教材

1、天線基礎(chǔ)知識(shí)講座教材目 錄一、 天線的基本概念:1) 天線2) 天線作用3) 天線分類(lèi)4) 電波傳播方式5) 天線的工作原理6) 天線效率7) 天線發(fā)射與接收的方向性二、 汽車(chē)天線的基本概念:1) 天線分類(lèi)2) 天線品種3) 天線接收振子材料的選擇4) 天線振子支撐骨架材料的選擇5) 天線連接線材料及功能的選擇6) 天線設(shè)計(jì)考慮的要點(diǎn)7) 試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)設(shè)備8) 天線及天線放大器的基本結(jié)構(gòu)三、 汽車(chē)天線放大器的基本概念:1) 天線放大器的作用2) 天線放大器的工作原理3) 主要指標(biāo)名詞四、 天線放大器的測(cè)試:1) 用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)微波網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)的測(cè)量2) 放大器的工作電流3) 放大器頻率測(cè)試4

2、) 駐波比5) 電纜線特性阻抗測(cè)試6) 電纜線高頻信號(hào)衰減7) 互調(diào)強(qiáng)度8) 噪聲電壓9) 電纜線靜電容10) 電纜線導(dǎo)通電阻11) 電纜線絕緣電阻天線基礎(chǔ)知識(shí)講座教材一、天線的基本概念:1)天線:天線是指能有效地輻射或接收電磁波,將傳輸線隨時(shí)間變化的電荷或電流激發(fā)出的電磁波可以脫離波源向遠(yuǎn)處傳播出去.電磁波由波源向遠(yuǎn)處傳播出去而不再返回波源的現(xiàn)象.稱電磁輻射.輻射或接收電磁能量的裝置稱為天線.2)天線的作用:各類(lèi)無(wú)線電設(shè)備所執(zhí)行的任務(wù)雖然不同.但天線在設(shè)備中的的作用卻是基本相同的.任何無(wú)線電設(shè)備都是通過(guò)無(wú)線電波來(lái)傳遞信息.因此就必須有能輻射或接收電磁波的裝置,所以天線的作用就是起發(fā)射或接收電

3、磁波作用(見(jiàn)圖1)3)天線分類(lèi):(1)按用途分類(lèi):可分為通信天線、廣播天線、電視天線等。(2)按波段分類(lèi):中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等。(3)按結(jié)構(gòu)分類(lèi):1.線天線:用直徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的金屬導(dǎo)線構(gòu)成.常用于長(zhǎng)波、中波、短波和超短波等波段(線材、管材)2.面天線用尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的金屬面或介質(zhì)面構(gòu)成.常用于超短波和微波波段.(板材、板面接收、衛(wèi)星接收、電視微波傳輸)序號(hào)波段名稱頻段名稱頻率范圍（Hz）波長(zhǎng)范圍（m）1極長(zhǎng)波極低頻（ELE）3K1052超長(zhǎng)波甚低頻（VLF）330K1041053長(zhǎng)波低頻（LF）30300K1031044中波中頻（MF）3003000K1021035短波高

4、頻（HF）3-30M101026超短波甚高頻（VHF）30300M1107分米波特高頻（VHF）0.33G110d8厘米波超高頻（SHF）330G110c9毫米波極高頻（EHF）30300G11010亞毫米波超極高頻（SEHF）300400G0.7514) 電波傳播的方式:根據(jù)自然因素對(duì)不同頻率無(wú)線電波的影響,為了使電磁波達(dá)到有效傳播,采用不同方式進(jìn)行傳輸,工程上主要采用以下方式:(1) 有線傳輸:適用所有波段.(2) 地下波傳播:適用于超長(zhǎng)波和長(zhǎng)波段,特點(diǎn)是保密性好,用于導(dǎo)彈發(fā)射和指揮,地下探礦等.(3) 地面波傳播:無(wú)線電波沿著地球表面?zhèn)鞑?適用于中波段、特點(diǎn)是:傳輸損耗小,作用距離遠(yuǎn),信

5、號(hào)穩(wěn)定用于無(wú)線廣播.(4) 天波傳播:電離層反射傳播適用于短波和中波段.用于遠(yuǎn)距離廣播通信,船岸向移動(dòng)通信等.特點(diǎn)是:傳輸損耗小、距離遠(yuǎn),但受自然因素影響大.(5) 空間波傳播:地面空間波,適用于超短波和微米波的分米波.用于無(wú)線電視和移動(dòng)通信.衛(wèi)星通信中的空間波:適用于厘米波和毫米波.特點(diǎn)是:頻帶寬,用于衛(wèi)星通信和節(jié)目源的傳播.5)天線的工作原理:天線本身是一個(gè)振蕩器.電子和磁子振動(dòng)產(chǎn)生交變電場(chǎng)和磁場(chǎng),交變的電場(chǎng)或磁場(chǎng)互相轉(zhuǎn)換,形成電磁波以光速向外輻射.天線又是一個(gè)電磁波的換能器件.發(fā)射機(jī)把高頻信號(hào)通過(guò)發(fā)射機(jī)這種電子系統(tǒng)進(jìn)行高頻放大、調(diào)制、變頻處理最后變成高頻已調(diào)信號(hào)通過(guò)饋線送到發(fā)射天線。發(fā)射

6、天線以其獨(dú)特的工作方式再將這個(gè)高頻信號(hào)已調(diào)電流轉(zhuǎn)換成同頻率的電磁波，以固定方式和固有規(guī)律傳到接收天線。到達(dá)接收天線的高頻已調(diào)波在接收天線的作用下，再把電磁波轉(zhuǎn)換成高頻電流送到收音機(jī)通過(guò)收音機(jī)的變頻，解調(diào)放大后送到揚(yáng)聲器。傳播中的高頻電磁波，被接收天線接收。由于磁力線切割天線，就在天線兩端激勵(lì)一定的交變電壓電動(dòng)式。其頻率與發(fā)射頻率相同。接收天線通過(guò)饋線與收音機(jī)相連，在收音機(jī)中就可以獲得已調(diào)波信號(hào)電流，因此天線就起著接收電磁波能量，并轉(zhuǎn)變成為高頻信號(hào)電流能量的作用。無(wú)論是發(fā)信天線還是接收天線，它們都屬于能量變換器，同一副天線它即可發(fā)信也可接收信使用，通信設(shè)備一般都收，發(fā)共用一根天線。（如：電臺(tái)、手

7、機(jī)等）6)天線效率:衡量一個(gè)天線發(fā)射和接收性能的優(yōu)劣,主要有以下幾個(gè)主要技術(shù)指標(biāo):1.天線材質(zhì):盡量選擇導(dǎo)電性能好、電阻率低的金屬材料.如:銀、銅、鋁、不銹鋼等.2.天線的形狀:為了提高天線的效率,往往在不同波段采用不同形狀的天線LW段(長(zhǎng)波)以長(zhǎng)線天線為主;MW段(中段)以長(zhǎng)線天線和環(huán)狀天線為主;SW段(短波)以長(zhǎng)線偶極天線和八木天線為主;FM段(超短波)和V/U波段以八木天線和鞭狀天線為主.800M以上的微波段以極狀天線和拋面天線為主.3.天線長(zhǎng)度:當(dāng)天線的有效長(zhǎng)度接近其工作頻率半波(1/2波長(zhǎng))的正整數(shù)倍時(shí),天線的效率較高.若這個(gè)倍數(shù)增加時(shí),天線的效率還會(huì)進(jìn)一步提高.通常的天線都采用1/

8、4波長(zhǎng)或1/2波長(zhǎng)的振子長(zhǎng)度單位.但波長(zhǎng)數(shù)(天線長(zhǎng)度)的增加與效率的提高不是成正比關(guān)系.環(huán)型天線的直徑增加時(shí),天線效率會(huì)提高.環(huán)型天線的圈數(shù)增加時(shí),天線的效率也會(huì)進(jìn)一步提高,拋物面天線的直徑增加時(shí),天線的效率提高會(huì)更明顯.那么,什么是最好的天線?天線選擇的法則是:高架天線比低架天線好,大天線比小天線好.8) 天線發(fā)射與接收的方向性:一個(gè)發(fā)信天線向空間各方向輻射能量的強(qiáng)度是不同的.同樣,對(duì)于同樣強(qiáng)度的輻射波,收信天線拾取功率的大小也與電磁波的方向有關(guān).對(duì)以上圖形,從整體上看,相當(dāng)于一個(gè)花瓣各波瓣大小和方向代表各自方向上輻射能量的相對(duì)大小.對(duì)一付天線只有一個(gè)最大波瓣,稱其主瓣,代表該天線輻射場(chǎng)的最

9、強(qiáng)輻射方向,比主瓣小的叫旁瓣,與最大輻射方向反向的波瓣為后波瓣.二、汽車(chē)天線的基本概念:汽車(chē)天線對(duì)無(wú)線電波的接收主要體現(xiàn)在移動(dòng)中,而根據(jù)汽車(chē)野外行駛的特點(diǎn),要求汽車(chē)天線要有很強(qiáng)的耐候性、耐用性、安全性、良好的接收性及與整車(chē)結(jié)構(gòu)搭配的協(xié)調(diào)性等.1) 天線分類(lèi):1.無(wú)源天線:頂置式(前置、后置),外露式、內(nèi)藏式(帶屏蔽).2.有源天線:頂置式、窗式(后、側(cè)、前窗),電動(dòng)式.2)天線品種:1.收音機(jī)天線(AM、FM)2.GPS天線衛(wèi)星導(dǎo)航定位.3.GSM天線(移動(dòng)通信、車(chē)載電話).4.藍(lán)牙天線:是一種克服由于阻抗不匹配,而影響接收效果近式全方向接收天線.并有藍(lán)牙模塊和一個(gè)接口與天線連接工作.5.TV

10、天線(電視廣播)3)天線接收振子材料的選擇:1.BST(銅)特點(diǎn)是:導(dǎo)通電阻小,接收信號(hào)強(qiáng),易加工.缺點(diǎn)是:強(qiáng)度及耐腐性差管狀用于內(nèi)藏拉桿式天線較多.線材廣泛用于各種天線.2.SUS(不銹鋼)特點(diǎn)是:強(qiáng)度好,耐腐性強(qiáng),環(huán)保.缺點(diǎn)是:導(dǎo)通電阻略高于銅材質(zhì),加工難度大,用于內(nèi)藏式拉桿天線及外露式天線較多.3.陶瓷:特點(diǎn)是:在用于高頻信號(hào)接收時(shí)噪音干擾小,可用于GPS天線制作.4)天線振子支撐骨架材料的選擇:1.環(huán)氧玻璃鋼:特點(diǎn)是彈性好,刮撞時(shí)不易折斷.天線振子(銅線)可直條式埋伏,也可纏繞在玻璃鋼桿上.用于頂置式天線較多.2.PP(聚丙烯)特點(diǎn)是:韌性好,耐候性強(qiáng). PA(尼龍)用于天線桿支撐體.

11、可用于各種天線.3.擋風(fēng)玻璃:特點(diǎn)是:由于接收天線埋伏在擋風(fēng)玻璃內(nèi)可避免由于刮撞而損傷天線.5)天線連接線材料及功能的選擇:1.連接線的選擇:信號(hào)線選用同軸電纜、電源線選擇RV導(dǎo)線.2.內(nèi)芯導(dǎo)體與屏蔽網(wǎng)線選用無(wú)氧銅絲.3.內(nèi)芯與屏蔽網(wǎng)之間的介質(zhì)材料一般選用PE(聚乙烯)要求絕緣性能好.4.外護(hù)套材料一般選用PVC(聚氯乙烯)電纜料.5.性能主要指標(biāo):特性阻抗、傳輸損耗等.6)天線設(shè)計(jì)考慮的要點(diǎn):1.信號(hào)放大器:天線 放大器 連接線 收音機(jī)的阻抗匹配.放大器安裝的位置,要盡量避開(kāi)車(chē)內(nèi)干擾源.2.頂置天線、外露式天線:天線高度、強(qiáng)度、耐候性、防水性、美觀性系統(tǒng)阻抗匹配等.3.內(nèi)藏式天線:內(nèi)屏蔽、排

12、水順暢、拉撥力、強(qiáng)度及系統(tǒng)阻抗匹配等.4.使用功能:耐低溫存儲(chǔ)性、耐高溫存儲(chǔ)性、濕熱性、溫度變化、防水性、抗太陽(yáng)輻射性、耐振耐沖擊性、電纜線抗拉強(qiáng)度、接插頭插撥牢固性.5.電氣功能:增益,駐波比,交叉調(diào)制,特性阻抗,頻率范圍,工作電流等.7)試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)設(shè)備:1.試驗(yàn)項(xiàng)目:振動(dòng)試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、溫度交變?cè)囼?yàn)、噴淋試驗(yàn)、防靜電試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)、耐電壓試驗(yàn)、循環(huán)空氣存放試驗(yàn)、電纜線抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、接插頭插撥力試驗(yàn).2.試驗(yàn)、檢驗(yàn)所需主要檢測(cè)設(shè)備:矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀、信號(hào)發(fā)生器、LCR電橋、電容測(cè)試儀、絕緣電阻表、耐壓測(cè)試儀、靜電放電發(fā)生器、穩(wěn)壓電源、鹽霧試驗(yàn)箱、高低溫試驗(yàn)箱、振動(dòng)臺(tái)、噴淋試驗(yàn)

13、箱、數(shù)顯推拉力計(jì).8)天線及天線放大器的基本結(jié)構(gòu):1.天線的基本結(jié)構(gòu):天線頭、天線桿、合金底板（帶放大器的天線放大器安裝在基座內(nèi)），防水墊、緊固螺母組件、接插器、天線連接線、線夾、插頭組件.2.天線信號(hào)放大器的基本結(jié)構(gòu):盒體(塑料、A3板、不銹鋼板、鋅合金).電路板及貼片電子元器件、電感線圈、AM、FM輸入線輸入端子、輸出插座及連接線組件（同軸電纜、信號(hào)接插器、插頭）.三、汽車(chē)天線放大器的基本概念:1).為增加天線輸入信號(hào),主要承擔(dān)信號(hào)的放大阻抗匹配信號(hào)衰減(信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)過(guò)于強(qiáng)大時(shí)帶AGC)并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為收音機(jī)相匹配的射頻信號(hào),通過(guò)RF電纜傳送至收音機(jī).2).天線放大器的工作原理:AM信號(hào)從放大器

14、的輸入端進(jìn)入低通濾波器進(jìn)行造頻,選擇520KHz1620KHz帶寬的廣播信號(hào)后進(jìn)入AM放大器進(jìn)行功率放大后從低通濾波器2輸出.低通濾波器有2個(gè)作用:一是濾波另一個(gè)是阻抗匹配.同理,FM信號(hào)從放大器的輸入端進(jìn)入帶通濾波器1進(jìn)行選頻87MHz108MHz帶寬的廣播信號(hào)后進(jìn)入衰減器到FM放大器進(jìn)行功率放大,輸出到A點(diǎn)反饋到AGC控制器,當(dāng)達(dá)到起控電平時(shí),控制衰減器衰減信號(hào)防止大信號(hào)使FM放大器進(jìn)入飽合區(qū),最后從帶通濾波2輸出放大的FM信號(hào).帶通濾波器2的作用和低通濾波器2相同.3).主要指標(biāo)名詞:(1)天線增益:把天線的輻射向某個(gè)方向集中,在這個(gè)方向上天線所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)將會(huì)增大,也就是說(shuō)天線具有增益,

15、通常表示天線的增益采用對(duì)數(shù)比值dB表示.天線增益是用來(lái)衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號(hào)的能力,它是選擇天線最重要的參數(shù)之一.但它與放大器的增益是不同的. (2)駐波比:天線的電壓駐波比是把天線作為無(wú)損耗傳輸線的負(fù)載時(shí),在沿傳輸線產(chǎn)生的電壓駐波圖形上,最大值與最小值之比值.只有阻抗完全匹配,才能達(dá)到最大功率傳輸,這在高頻更重要,發(fā)射機(jī),傳輸電纜,天線阻抗都關(guān)系到功率傳輸.駐波比就是表示饋線與天線匹配情形不匹配時(shí),發(fā)射機(jī)發(fā)射的電波將有一部分反射回來(lái).在饋線中產(chǎn)生反射波,反射波到達(dá)發(fā)射機(jī)最終產(chǎn)生熱量消耗掉,接收時(shí),也會(huì)因?yàn)椴黄ヅ?造成接收效果不良.(3)特性阻抗:把一定頻率的高頻功率信號(hào)饋入到天線的輸

16、入端,天線就會(huì)呈現(xiàn)出一定的電阻和電抗稱為天線的特性阻抗.若天線系統(tǒng)的特性阻抗與傳輸系統(tǒng)的特性阻抗相同就稱為阻抗匹配.這時(shí)天線系統(tǒng)的輻射電阻和損耗電阻正好吸收了傳輸系統(tǒng)饋送的全部功率.而如果天線系統(tǒng)與傳輸系統(tǒng)的特性阻抗有差異,系統(tǒng)就不匹配,造成電波從天線系統(tǒng)反射回傳輸系統(tǒng),這部分反射的電波信號(hào)由于來(lái)回反射被損耗掉,沒(méi)有被天線系統(tǒng)輻射出去,無(wú)形中使實(shí)際饋送到天線系統(tǒng)的高頻功率信號(hào)減少,造成傳輸效率下降.四、天線放大器的測(cè)試1)用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)微波網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)的測(cè)量:在頻率較低時(shí),網(wǎng)絡(luò)的特性常用阻抗參數(shù)Z或者導(dǎo)納參數(shù)Y來(lái)描述端口特性,這些參數(shù)的定義是基于電壓電流的概念.因而測(cè)量時(shí)需要在一定的端口條件下

17、,如開(kāi)路或短路.測(cè)出特定的電壓或電流來(lái)確定各個(gè)參數(shù),但在高頻,這種測(cè)量方法不再適用.因?yàn)楦哳l下,電壓或電流很難測(cè)量,再者,將網(wǎng)絡(luò)端口人為開(kāi)路或短路有時(shí)是不允許的.例如:某些有源器件,開(kāi)路或短路容易引起振蕩或損壞器件.兩端口網(wǎng)絡(luò)都可以用4個(gè)S參數(shù)表示其端口特性如圖:DUT表示被測(cè)件.a1、a2表示入射波.b1、b2表示出射波.當(dāng)端口1加入入射波a1時(shí),其中一部分由于端口失配而被反射回來(lái)成為該端口出射波的一部分,大小為S11a1,a1的其余部分經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)蕉丝?,成為端口2的出射波,其大小為S21a1。同理,端口2加入入射波a2時(shí),其中一部分端口失配而被反射回來(lái)成為該端口出射波的一部分大小為S22

18、a2，a2其余部分經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至端口1,成為端口1的出射波,大小為S12a2,把端口1的兩股出射波合在一起用b1表示，端口2的兩股出射波,合在一起用b2表示。b1=S11a1+S12a2b2=S21a1+S22a2其中S11、S21、S22、S12即表示網(wǎng)絡(luò)特性的4個(gè)S參數(shù),稱散射參量.S11、S22是反射參數(shù).S21、S12是傳輸參數(shù).反射參數(shù)有駐波比、反射參數(shù)、阻抗、回波損耗,其表達(dá)式如下:駐波比:SWR=或SWR=反射余數(shù):輸入端:=S11輸出端: =S22阻 抗:輸入端:Z=R+jx=Zo 輸出端:Z= Zo回波損耗:輸入端:RL=20輸出端: RL=20傳輸參數(shù)有增益衰減,傳輸系數(shù),傳

19、輸相移,時(shí)延增益G=20,衰減L=20.傳輸系數(shù)正向T=S21,反向T=S12.傳輸相移E向=arctgS21,反向=arctgS12. 時(shí)延tg=(角頻率)測(cè)量先對(duì)網(wǎng)絡(luò)儀進(jìn)行校準(zhǔn).頻譜分析儀針對(duì)頻域和解調(diào)域的測(cè)量.2)放大器工作電流:測(cè)試電壓14VDC I= (R 工作時(shí)放大器直流電阻)3)放大器頻率測(cè)試:AM調(diào)幅廣播:520KHz1620KHzFM調(diào)頻廣播:87MHz108MHz增益(GAIN)=20S21AM測(cè)試根據(jù)用戶的需要是否加入等效天線和阻抗變換器.等效天線 阻抗變換器或并聯(lián)1M電阻. EZ12 1MFM測(cè)試:4)駐波比:FM 98MH2MHz時(shí)的值SWR= 網(wǎng)絡(luò)分析儀 放大器輸入

20、端要接50匹配電阻.5)電纜線特性阻抗測(cè)試: 在單端口S22.Smith圓圖上測(cè)試,它能定量反映阻抗特性和反射特性.傳輸線特性阻抗:Zo=終端有載傳輸線的輸入阻抗:Zin=Zo 終端短路:ZL=0Z(短路)=jZotgd終端開(kāi)路:ZL=Z(開(kāi)路)= Z(開(kāi)路)Z(短路)=jZotgd=ZoZo=6)電纜線高頻信號(hào)衰減把100M長(zhǎng)的同軸電纜連接在網(wǎng)絡(luò)儀的1端口和2端口.用S21或S12都可以進(jìn)行測(cè)試.放幾個(gè)標(biāo)記MarK7)互調(diào)強(qiáng)度:測(cè)試頻率:FM:f1 f2 =f1 +1MHz 兩個(gè)基波頻率相差1MHz AM: f1 f2 =f1 +100KHz電子系統(tǒng)中所使用的許多電路都被認(rèn)為是線性電路,只表

21、現(xiàn)出輕微的非線性,可用冪級(jí)數(shù)來(lái)模擬:Uout=Ko+K1Vin+K2Vin+K3Vin+K4Vin+第一個(gè)系數(shù)Ko代表系統(tǒng)中的直流偏置,第二個(gè)系數(shù)K1是線性電路理論給出的電路增益.K2以上的其余系數(shù)代表電路的非線性特性.若電路是完全線性的,則除K1之外的所有系數(shù)都將為零.忽略K3之后的各項(xiàng).Uout=Ko+K1Vin+K2Vin+K3Vin當(dāng)用雙音頻輸入時(shí): Uin=A1cos1t+A2cos2tUout=Co+C1cos1t+C2cos2t+C3cost1t+ C4cos2t2t+ C5cos31t+ C6cos32t+ C7cos(1t+2t)+ C8cos(1t-2t) + C9cost(21t+2t) + C10cost(2