天線的主要特性

1、天線的主要特性（一）     天線是微波收發(fā)信設(shè)備的“出入口”，它既要將發(fā)信機(jī)的微波沿著指定的方向放射出去，同時(shí)還要接受對方傳來的電磁波并送到微波收信機(jī)。因此，天線性能的好壞將直接影響到整個(gè)微波通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行。這里我們將對天線的性能指標(biāo)及要求作一介紹。     天線的方向性       通常一副天線向各個(gè)方向輻射電磁波的能力是不同的，它沿各個(gè)方向輻射電磁能量的強(qiáng)弱可用天線的方向系數(shù)來表示。所謂天線的方向系數(shù)是指在某點(diǎn)產(chǎn)生相等電場強(qiáng)度的條件下，無方向性天線總輻射功率PF0與定向天線總輻射功率PF的比值，常用“D”

2、來表示，即                 天線方向性圖   （3-4） 不難想象，定向天線沿各個(gè)方向輻射的電場強(qiáng)度是不相同的，因而定向天線的方向系數(shù)也將隨著觀測點(diǎn)的位置不同而有所不同。其中方向系數(shù)最大的地方，即輻射增強(qiáng)的方向，稱主射方向。通常人們用天線的方向圖來表示天線對各個(gè)方向的方向系數(shù)大小，如圖所示。由圖可以看出，天線的方向性圖像象花朵的葉瓣，各葉瓣稱為方向葉。處于主射方向的方向葉稱為主葉，處于主葉反方向位置的方向葉稱為后葉，其他方向的方向葉統(tǒng)稱為副葉。顯然主葉的寬度越

3、窄，說明天線的方向性也好。天線方向性的好壞，工程上常采用半功率角和零功率角兩個(gè)參量來表示。所謂半功率角是指主葉瓣上場強(qiáng)為主射方向場強(qiáng)的1/2= 0.707時(shí)（即功率下降1/2時(shí)），兩個(gè)方向間的夾角，即為“20.5”；所謂零功率角是指偏離主射方向最近的兩個(gè)零射方向（輻射場強(qiáng)為零的方向）之間的夾角，記為“20”。半功率角和零功率角越小，表示主葉瓣的寬度越窄，說明天線的方向性越好。     一副方向性良好的天線，除了必須具備上述具有較小的半功率角和零功率角外，還應(yīng)該包括后葉瓣和副葉瓣盡可能小，以減小可能出現(xiàn)的竄擾。 天線的主要特性（二）     天線增益 所謂

4、天線增益是指天線將發(fā)射功率往某一指定方向發(fā)射的能力。天線增益定義為：取定向天線主射方向上的某一點(diǎn)，在該點(diǎn)場強(qiáng)保持不變的情況下，此時(shí)用無方向性天線發(fā)射時(shí)天線所需的輸入功率Pi0，與采用定向天線時(shí)所需的輸入功率Pi之比稱為天線增益，常用“” 表示。即     根據(jù)天線增益的定義，天線增益可以理解為：為了使在觀察點(diǎn)獲得相等的電磁波功率密度，具有方向性天線所需的發(fā)射功率要比無方向性天線所需的發(fā)射功率小G倍。 另外天線具有互易性，即一副同樣的天線既可以作為發(fā)射天線，也可以作為接收天線，因此從天線接收的角度看，天線增益也可以用定向天線的有效接收面積Ae與各向同性（無方向性）天線的有效接

5、收面積A0之比來表示，即          必須指出，天線性能指標(biāo)中給出的天線增益以及通常人們所說的天線增益都是指輻射場強(qiáng)為最大主射方向時(shí)的天線增益。然而當(dāng)天線的主射方向偏離接收方向時(shí)，其實(shí)際的增益將隨偏離程度的不同而變化?？傊炀€的增益反映了定向天線對某一方向輻射電磁波或接收電磁波的能力。因此一副高增益的定向天線可以降低對微波發(fā)信機(jī)輸出功率的要求和提高微波接收機(jī)的接收靈敏度。     天線的效率 天線本身是一種無源器件，就其對傳輸而言存在一定的損耗。這種損耗通常用天線的效率來衡量。所謂天線效率就是指天線的輻射功率

6、PF與輸入功率Pi之比。常用“”來表示，     將式（3-7）與式（3-4）、式（3-5）比較可以得出天線方向系數(shù)D、天線增益G和天線效率之間的關(guān)系為     理想點(diǎn)天線源沒有損耗，即Pi0=PF0 。因此得  G等于乘于D（3-8）     天線的防衛(wèi)度  天線的防衛(wèi)度分天線后向防衛(wèi)度和天線正交防衛(wèi)度。天線后向防衛(wèi)度是指天線主射方向的輻射場強(qiáng)0與后向輻射場強(qiáng)E180°的比值，用“180°”表示，即     天線正交防衛(wèi)度是指天線主射方向的輻射場強(qiáng)0與偏

7、離主射方向90°方向上輻射場強(qiáng)E90°的比值，用“180°”表示，即     天線防衛(wèi)度反映了主射方向的輻射場強(qiáng)對偏離其90°和180°方向上的串?dāng)_影響大小，防衛(wèi)度越高其擾越小。   天線為什么這么靈 目前在微波通信中常用的天線主要有兩種，即拋物面天線和卡塞格倫天線。它們具有天線方向性好、增益高、損耗低的特點(diǎn)。     拋物面天線 拋物面天線由旋轉(zhuǎn)拋物面和輻射源（饋源）兩部分組成，其結(jié)構(gòu)類似于探照燈，它是利用放置在拋物面焦點(diǎn)處的輻射源發(fā)射出的球面波，經(jīng)拋物面反射形成定向的平面波束射向空

8、間。圖（）為拋物面天線的結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)幾何學(xué)原理，其工作原理如下：                   拋物線天線的結(jié)構(gòu)圖 拋物面的方程可由下式表示：     式中 f 焦距，即焦點(diǎn)F到拋物面頂點(diǎn)的距離。 由于旋轉(zhuǎn)拋物面具有對稱性，因此我們只需研究 平面內(nèi)的情況，此時(shí)式（3-9）可寫成拋物線方程     它可用圖（b）表示。假設(shè)P為拋物線上的任意一點(diǎn)，過P點(diǎn)作平行軸的直線，過焦點(diǎn)F作平行于軸的直線，兩者交于M點(diǎn)。作P點(diǎn)處法線PS，則PS與

9、PM的夾角為1，PF與OF的夾角為0。只要證明0=21 ，即FP與PS之間的夾角也為1，就可以得出PM為FP的反射線 拋物線上P點(diǎn)處的斜率為 即 亦即 根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系有 由圖中可知 由此可以得出 根據(jù)這一結(jié)果可以得出，PM即為FP的反射線。進(jìn)一步推算有 則     也就是說， 長與P點(diǎn)的位置無關(guān)，這說明MF平面是一個(gè)等相位面。因此拋物面天線發(fā)射出的電磁波在 方向是一個(gè)平面波。       通過以上分析可以得出，當(dāng)信號的輻射源位于拋物面天線的焦點(diǎn)上時(shí)，有輻射器發(fā)射的電磁波經(jīng)拋物面反射后產(chǎn)生一個(gè)高方向性的波束。 卡塞格倫天線（一） &#

10、160;   卡塞格倫天線是另一種在微波通信中常用的天線，它是從拋物線演變而來的?？ㄈ駛愄炀€由三部分組成，即主反射器、副反射器和輻射源。其中主反射器為旋轉(zhuǎn)拋物面，副反射面為旋轉(zhuǎn)雙曲面。在結(jié)構(gòu)上，雙曲面的一個(gè)焦點(diǎn)與拋物面的焦點(diǎn)重合，雙曲面焦軸與拋物面的焦軸重合，而輻射源位于雙曲面的另一焦點(diǎn)上，如下圖所示。它是由副反射器對輻射源發(fā)出的電磁波進(jìn)行的一次反射，將電磁波反射到主反射器上，然后再經(jīng)主反射器反射后獲得 方向的平面波波束，以實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射。卡塞格倫天線的工作原理如下。              

11、      卡塞格倫天線工作原理     當(dāng)輻射器位于旋轉(zhuǎn)雙曲面的實(shí)焦點(diǎn)F1處時(shí)，由F1發(fā)出的射線經(jīng)過雙曲面反射后的射線，就相當(dāng)于由雙曲面的虛焦點(diǎn)直接發(fā)射出的射線。因此只要是雙曲面的虛焦點(diǎn)與拋物面的焦點(diǎn)相重合，就可使副反射面反射到主反射面上的射線被拋物面反射成平面波輻射出去。             卡塞格倫天線相對于拋物面天線來講，它將饋源的輻射方式由拋物面的前饋方式改變?yōu)楹箴伔绞?，這使天線的結(jié)構(gòu)較為緊湊，制作起來也比較方便。另外卡塞格倫天線可

12、等效為具有長焦距的拋物面天線，而這種長焦距可以使天線從焦點(diǎn)至口面各點(diǎn)的距離接近于常數(shù)，因而空間衰耗對饋電器輻射的影響要小，使得卡塞格倫天線的效率比標(biāo)準(zhǔn)拋物面天線要高。                          卡塞格倫天線 卡塞格倫天線（二）                 雙曲線反射的幾何關(guān)系    

13、60;   雙曲線反射的幾何關(guān)系如圖所示。圖中點(diǎn)劃線為雙曲面的漸進(jìn)線，由幾何知識可知，雙曲面有兩個(gè)焦點(diǎn)F1和F2，雙曲面上的任何一點(diǎn)到兩焦點(diǎn)的距離之差為常數(shù)。一個(gè)旋轉(zhuǎn)雙曲面的函數(shù)可以用下式表示：     其中雙曲面的兩頂點(diǎn)長度為2a，即y=0時(shí)，x=±a；±b為漸進(jìn)線上當(dāng)x =±a時(shí)的y值。 根據(jù)雙曲面的幾何關(guān)系，雙曲面的兩焦點(diǎn)距離，即焦距Fc滿足 設(shè)P（0,0）為雙曲面上的任意一點(diǎn)，則該點(diǎn)的切線方程為 現(xiàn)只要證明夾角F1PF2被切線平分，即=，也就驗(yàn)證了F2P的延長線即為射線F1P的反射線。 由上圖不難得出直線F2P的斜率為 直線F

14、1P的斜率為 切線的斜率為 則 由此得出，=，即由F1發(fā)出的射線經(jīng)過雙曲面反射后就相當(dāng)于從F2發(fā)出的射線。可見，卡塞格倫天線是采用饋源加副反射面來代替原拋物面天線的饋源，而性能則與拋物面天線一樣。  微波饋線系統(tǒng)（一）     饋線系統(tǒng)是指連續(xù)微波收、發(fā)信設(shè)備與天線的微波傳輸線和有關(guān)的微波器件。傳輸線及有關(guān)的微波器件可為同軸線型或波導(dǎo)型。在3GHz 以下的微波系統(tǒng)大多采用同軸型饋線，而3GHz以上則大多數(shù)采用波導(dǎo)型饋線。這里將要介紹饋線系統(tǒng)中所涉及的微波器件。      阻抗變換器   

15、0;   阻抗變換器的作用是解決微波傳輸線與微波器件之間匹配的，在通常情況下，同軸傳輸線的阻抗為75，而與饋線相連的極化分離器和波道濾波器的輸入輸出阻抗為50。為使其阻抗匹配，需采用阻抗變換器進(jìn)行匹配。常用的同軸線阻抗變換器有直線漸變式和階梯式兩種。 直線漸變式阻抗變換器結(jié)構(gòu)剖視圖     直線式漸變阻抗變換器的結(jié)構(gòu)縱剖面如圖所示，在兩端不同阻抗的同軸線之間，用外導(dǎo)體的內(nèi)徑直線連續(xù)漸變的方式進(jìn)行阻抗變換。同軸線的特性阻抗與內(nèi)外導(dǎo)體的幾何尺寸有關(guān)，即  （3-11） 式中導(dǎo)磁系數(shù)； 介電常數(shù)。  可見，當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體外徑d固定時(shí)，同

16、軸線特性阻抗。與外導(dǎo)體內(nèi)徑成對數(shù)正比。因此適當(dāng)選擇外導(dǎo)體的內(nèi)徑，就可以達(dá)到阻抗匹配的目的。假設(shè)內(nèi)導(dǎo)體外徑固定為d=7mm。當(dāng)左端外導(dǎo)體的內(nèi)徑1=24mm時(shí)，由上式可得其特性阻抗c1=75；而右端外導(dǎo)體的內(nèi)徑取2=16mm時(shí)，可得其特性阻抗c1=50。  階梯式阻抗變換器的結(jié)構(gòu)縱剖面如上圖所示。在兩端不同阻抗的同軸線之間，使用了兩節(jié)長度分別為1/4波長，外導(dǎo)線內(nèi)徑呈階梯變化，而內(nèi)導(dǎo)體外徑不變的同軸線。  微波饋線系統(tǒng)（二）     1/4波長的傳輸線有其特殊性。我們知道，傳輸線的輸入阻抗與其長度有關(guān)，假設(shè)傳輸線的長度為 l 相位常數(shù)為，

17、特性阻抗為Zc，負(fù)載為Zo，則該傳輸線的輸入阻抗為            階梯式阻抗變換器結(jié)構(gòu)剖面圖     假設(shè)圖中的階梯式阻抗變換器其兩節(jié)1/4波長同軸線外導(dǎo)體內(nèi)徑分別為D1和D2，相應(yīng)的特性阻抗分別為Zc1和Zc2。且左端第一節(jié)1/4同軸線的輸入阻抗與輸入端所接同軸電纜的阻抗相匹配，即Zi1=Z1=75。而第二節(jié)1/4一波長同軸線的輸出阻抗與輸出端所接同軸電纜的阻抗相匹配，即Zo2=Zo2=50。同時(shí)為使兩節(jié)1/4同軸線之間匹配，應(yīng)有第一節(jié)1/4波長同軸線的輸出阻抗等于第二節(jié)的特性阻抗，而

18、第二節(jié)1/4波長同軸線的輸入阻抗等于第一節(jié)的特性阻抗，即Zo1=Zc2、Zi1=Zc1。因此可建立以下聯(lián)立式      將Zc1=65、Zc2=57以及d=7mm，帶入公式（3-11）可計(jì)算的D1和D2，即階梯式阻抗變換器中兩節(jié)1/4波長同軸線的外導(dǎo)體內(nèi)徑大小。   微波饋線系統(tǒng)（三）     收發(fā)共用器  每一個(gè)微波站的設(shè)備都有接收和發(fā)送兩套系統(tǒng)，為了節(jié)省設(shè)備，常使收發(fā)系統(tǒng)共用一副天線，這就需要用收發(fā)共用器來實(shí)現(xiàn)。通常的收發(fā)公用器有環(huán)行器和極化分離器兩種類型。   

19、0;   采用環(huán)行器的收發(fā)公用器     如下圖所示為采用環(huán)行器的收發(fā)公用器的基本結(jié)構(gòu)圖。通常這類公用器應(yīng)用在收發(fā)采用同一頻段兩個(gè)不同波道的設(shè)備中。收信和發(fā)信頻率信號可利用環(huán)行器分隔開。根據(jù)環(huán)行器的工作原理，當(dāng)環(huán)行器的三個(gè)端口都匹配時(shí)，由發(fā)信機(jī)輸出的信號將右環(huán)行器的1端口進(jìn)入，從2端口輸出至天線，而不會由3端口輸出進(jìn)入接收設(shè)備；同樣，由天線接收的信號從環(huán)行器的2端口進(jìn)入，由3端口輸出到接收設(shè)備，而不會從1端口輸出到發(fā)信側(cè)。從而實(shí)現(xiàn)收發(fā)公用一副天線，且收發(fā)通道之間是相互隔離的。  在實(shí)際應(yīng)用中，由于環(huán)行器的隔離性能一般只有2030dB，為了進(jìn)一步

20、減小收發(fā)之間的相互串?dāng)_，通常在環(huán)行器與收發(fā)信機(jī)之間分別接入一個(gè)以該路頻率為中心頻率的帶通濾波器。該濾波器應(yīng)具有較高的選擇性。                 采用環(huán)行器構(gòu)成的收發(fā)共用器方框圖     采用極化分離器的收發(fā)公用器 下圖給出了采用極化分離器收發(fā)公用器的結(jié)構(gòu)圖。這種方法是利用無線電波的極化特性，將收發(fā)信微波處理成相互正交的不同極化形式電磁波，利用其正交性來實(shí)現(xiàn)收發(fā)信號之間的隔離。如發(fā)信信號采用水平極化（和垂直極化），而收信信號則采用垂直極化（或水

21、平極化）。 采用極化分離器的收發(fā)公用器方框圖   微波饋線系統(tǒng)（四）     極化分離器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖中為圓波導(dǎo)型極化分離器，其中一端接天線，另一端短路，與饋線相接的兩個(gè)同軸接口相互垂直，在兩接口之間安置有一塊金屬極化去耦板，有些在接口1、2相對應(yīng)的波導(dǎo)壁上加有匹配調(diào)諧螺釘                        極化分離器 我們知道，在同軸線中傳播的電波是橫電磁波。其電場方向與同

22、軸線內(nèi)導(dǎo)體垂直；而在圓波導(dǎo)中的電場方向必須與圓波導(dǎo)內(nèi)壁垂直。當(dāng)微波信號由同軸線接口激發(fā)圓波導(dǎo)時(shí)，根據(jù)理想金屬表面電場分布邊界條件，只有垂直分量存在，因此在圓波導(dǎo)內(nèi)的電場必定與同軸線內(nèi)導(dǎo)體平行。這樣在圓波導(dǎo)上開設(shè)的同軸線接口1和2相互垂直，它們產(chǎn)生的電場在圓波導(dǎo)內(nèi)也必然垂直，如上圖所示。 同理，以圓波導(dǎo)中的電場耦合到同軸線接口時(shí)，也只有與同軸線內(nèi)導(dǎo)體平行的電場才能輸入至同軸線。因此若水平端口1接發(fā)信信號，垂直端口接收信信號，則發(fā)信輸出微波信號在圓波導(dǎo)中激發(fā)產(chǎn)生水平電場E=，其方向與垂直端口2的同軸線內(nèi)導(dǎo)體垂直，故發(fā)信信號不會進(jìn)入到接收通道而只能先天獻(xiàn)策傳輸。而從天線接收到的垂直極化信號進(jìn)入極化分

23、離器后，在圓波導(dǎo)中只能激勵(lì)出垂直電場 ，其方向與水平端口1的同軸線內(nèi)導(dǎo)體垂直，因此收信信號不會進(jìn)入發(fā)信端口1，而只能送入垂直的收信端口2。                 圓波導(dǎo)內(nèi)電場分布     極化分離器中的去耦板是為了進(jìn)一步減小兩不同極化信號之間的相互串?dāng)_。極化分離器圖中去耦板為水平放置。根據(jù)金屬的邊界條件，由于水平極化波的電場方向與去耦板相平行，因此不能通過去耦板，而垂直極化波則可以通過去耦板。因此發(fā)信端口1輸出的水平極化信號將被去耦板隔離而不會傳到接收端口2，從而進(jìn)

24、一步提高了收發(fā)信號之間的隔離度。     值得一提的是，發(fā)信往往接在去耦板與天線之間的端口，即圖中的1口，而不接在2口，這是因?yàn)榘l(fā)信信號要比收信信號強(qiáng)得多，因此發(fā)在1口可以利用去耦板進(jìn)行阻擋，而起到減小發(fā)信信號對收信的干擾；若放置在2則去耦板將起不到阻擋的作用。當(dāng)然若要獲得垂直極化的發(fā)信信號，而發(fā)信仍接在端口1，只需將極化分離器旋轉(zhuǎn)90°即可。     另外，為了消除極化分離器短路側(cè)的反射影響，極化分離器中應(yīng)使端口2至短路側(cè)的距離為信號中心頻率的1/4波長。此時(shí)在端口2等效的輸入阻抗為 ，因而信號的能量將不會向極化分離器的短路側(cè)傳輸. 微波饋線系統(tǒng)（五）     多波導(dǎo)公用路