第4章電視接收天線

第四章電視接收天線電視接收天線是如何發(fā)明的：

1949年，美國一位經(jīng)營天線電器具的商人約翰.威爾遜發(fā)明高架設(shè)室外天線。天線(廣泛意義)

通信的目的是傳遞信息,根據(jù)傳遞信息的途徑不同,可將通信系統(tǒng)大致分為兩大類:一類是在相互聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)中用各種傳輸線來傳遞信息,即所謂的有線通信,如電話、計算機局域網(wǎng)等有線通信系統(tǒng);另一類是依靠電磁輻射通過無線電波來傳遞信息,即所謂的無線通信,如電視、廣播、雷達、導(dǎo)航、衛(wèi)星等無線通信系統(tǒng)。在如下圖所示的無線通信系統(tǒng)中,需要將來自發(fā)射機的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波,或者將無線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量,用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。

圖4–1無線電通信系統(tǒng)框圖第一節(jié)天線的基本原理

一.天線的工作原理

天線是一種向空間輻射電磁波或者從空間接收電磁波能量的裝置。電視接收天線作為有線電視系統(tǒng)接收開路信號的設(shè)備，其作用是將空間接收到的電磁波轉(zhuǎn)換成在傳輸線中傳輸?shù)纳漕l電壓或電流，接收天線輸出的信號質(zhì)量好壞，將直接影響到電視信號在系統(tǒng)內(nèi)傳輸?shù)馁|(zhì)量?？梢栽O(shè)想，若天線輸出的信號中含有空間反射波干擾（右重影），或其它噪聲干擾（如工業(yè)干擾），則在后續(xù)的電路中很難將這些干擾消除掉。二、接收天線的基本工作原理

天線本身就是一個振蕩回路，但它與普通ＬＣ振蕩回路不同，它是普通ＬＣ振蕩回路的變形。如圖4－2所示。

從圖中電路的演變過程可見“圖4－2（a）、（b）、（c）”，發(fā)射天線是利用了空間作為電容器兩極板間的電感線圈的磁場，使得高頻電磁波信號能夠形成開路發(fā)射“圖4－2（d）”，在發(fā)射過程中，已調(diào)制的高頻信號電流由傳輸線從發(fā)射機輸送到天線上，該天線便把高頻信號電流轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電磁波能量，并向空間輻射。

圖4-2閉路振蕩回路及天線開路發(fā)射

電磁波的能量從發(fā)射天線輻射出去以后，將沿地表面所有方向向前傳播。若在離發(fā)射天線一定距離處設(shè)置接收天線，由于磁力線切割了接收天線（由金屬導(dǎo)體組成），就會在接收天線中激勵感應(yīng)電動勢，其頻率與發(fā)射的振蕩頻率相同，因此，接收天線就會輸出電信號。由于天線具有“可逆性”，即：一副天線，既可作為發(fā)射天線使用，也可作為接收天線使用，它們所有的性能、參數(shù)均保持不變，稱為天線的互易原理。所以接收天線的工作原理和發(fā)射天線的工作原理類同。三、天線的作用1、輻射和接收電磁波。由發(fā)射天線產(chǎn)生的電磁波向空中輻射，當(dāng)接收天線受到空中電磁波磁力線的切割時，就在天線兩端激起一定的交變電壓——電動勢，并轉(zhuǎn)化成高頻電流，通過同軸射頻電纜傳送給有線電視的前端處理設(shè)備。當(dāng)然能輻射或接收電磁波的東西不一定都能用來作為天線。例如任何高頻電路，只要不是完全屏蔽起來的，都可以向周圍空間或多或少地輻射電磁波，或者從周圍空間或多或少地接收到電磁波。但是，任意一個高頻電路并不一定能作天線，因為它輻射和接收電磁波的效率很低。只有能夠有效地輻射和接收電磁波的設(shè)備才有可能作為天線使用。2、第二個作用是”能量轉(zhuǎn)換”。天線應(yīng)能將導(dǎo)波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰俊＿@首先要求天線是一個良好的電磁開放系統(tǒng),其次要求天線與發(fā)射機或接收機匹配。大家知道，發(fā)信機通過饋線送入天線的并不是無線電波，收信天線也不能直接把無線電波送入收信機，這里有一個能量的轉(zhuǎn)換過程，即把發(fā)信機所產(chǎn)生的高頻振蕩電流經(jīng)饋線送入天線輸入端，天線要把高頻電流轉(zhuǎn)換為空間高頻電磁波，以波的形式向周圍空間輻射。反之在接收時，也是通過收信天線把截獲的高頻電磁波的能量轉(zhuǎn)換成高頻電流的能量后，再送給收信機。顯然這里有一個轉(zhuǎn)換效率問題。天線增益越高，則轉(zhuǎn)換效率就越高。3、增加接收電視信號的距離。

根據(jù)前述視距計算公式H＝4.12（）（km），電磁波的傳播距離與發(fā)射天線的高度和接收天線的高度有關(guān)。當(dāng)電視發(fā)射天線高度已定的情況下，適當(dāng)增加接收天線的架設(shè)高度就可以增加開路電視信號的接收距離。4、提高接收電視信號的質(zhì)量。

由于空間存在著各種頻率成份的無線電波，這些無線電波的方向來自于四面八方，對于需要接收的電視頻道而言，其它無線電波均是干擾源，通過選擇方向性強，具有一定工作頻帶寬度的接收天線，可以提高接收電視信號的質(zhì)量。

除此之外，對天線有幾個要求：1、天線應(yīng)使電磁波盡可能集中于確定的方向上,或?qū)Υ_定方向的來波最大限度的接受,即天線具有方向性。

2、天線應(yīng)能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波,即天線有適當(dāng)?shù)臉O化。

3、天線應(yīng)有足夠的工作頻帶。以上是天線最基本的功能和要求,據(jù)此可定義若干參數(shù)作為設(shè)計和評價天線的依據(jù)。通信的飛速發(fā)展對天線提出了許多新的要求,天線的功能也不斷有新的突破。除了完成高頻能量的轉(zhuǎn)換外,還要求天線系統(tǒng)對傳遞的信息進行一定的加工和處理,如信號處理天線、單脈沖天線、自適應(yīng)天線和智能天線等。特別是自1997年以來,第三代移動通信技術(shù)逐漸成為國內(nèi)外移動通信領(lǐng)域的研究熱點,而智能天線正是實現(xiàn)第三代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

研究天線問題,實質(zhì)上是研究天線在空間所產(chǎn)生的電磁場分布?？臻g任一點的電磁場都滿足麥克斯韋方程和邊界條件,因此,求解天線問題實質(zhì)上是求解電磁場方程并滿足邊界條件,但這往往十分繁雜,有時甚至是十分困難的。在實際問題中,往往將條件理想化,進行一些近似處理,從而得到近似結(jié)果,這是天線工程中最常用的方法；在某些情況下,如果需要較精確的解,可借助電磁場理論的數(shù)值計算方法來進行。四、天線的分類

天線的種類很多，按用途可將天線分為通信天線、廣播電視天線、雷達天線等;按工作波長,可將天線分為長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線等；按輻射元的類型可將天線分為兩大類:線天線和面天線。所謂線天線是由半徑遠小于波長的金屬導(dǎo)線構(gòu)成,主要用于長波、中波和短波波段;面天線是由尺寸大于波長的金屬或介質(zhì)面構(gòu)成的,主要用于微波波段,超短波波段則兩者兼用。把天線和發(fā)射機或接收機連接起來的系統(tǒng)稱為饋線系統(tǒng)。饋線的形式隨頻率的不同而分為雙導(dǎo)線傳輸線、同軸線傳輸線、波導(dǎo)或微帶線等。由于饋線系統(tǒng)和天線的聯(lián)系十分緊密,有時把天線和饋線系統(tǒng)看成是一個部件,統(tǒng)稱為天線饋線系統(tǒng),簡稱天饋系統(tǒng)。第二節(jié)天線的主要參數(shù)一、輸入阻抗

天線輸入阻抗關(guān)系到天線能否盡可能多地接收來自自由空間的電磁波能量，天線的輸入阻抗為：

Ｚin＝

（Ω）

（4—1）式中

Ｕin——天線輸入端（即天線與饋線連接的端面）的高頻電壓；Ｉin——天線輸入端的高頻電流。

Ｚin由電阻Ｒin及電抗Ｘin組成，即：

Ｚin＝Ｒin＋jXin

（Ω）

（4—2）式中

Ｒin——天線的輸入電阻；

Xin——天線的輸入電抗。

基本半波振子天線是接收天線中最簡單的一種，其天線長度接近（略短于）接收信號的半個波長（λ/2），此時，天線處于諧振狀態(tài)，輸入阻抗呈現(xiàn)純電阻，振子上的電壓波和電流波如圖4-3所示。由于振子上電流的非均勻分布，使振子各點的阻抗都不一樣，因此，饋電點不同，輸入阻抗也不同，電視接收天線中的基本半波振子天線采用中心饋電法，此時的輸入阻抗最小，約為73.1Ω，近似取值為75Ω。圖4-3基本半波振子天線將圖4-3所示的基本半波振子天線的兩個尾端用導(dǎo)體連接起來，便構(gòu)成折合半波振子天線，如圖4-4所示：

基本半波振子天線的電流腹點最大值為Ｉｍ，半波折合振子的電流被平均分配在上下兩導(dǎo)體上，因此，每根導(dǎo)體上的電流腹點最大值為（Ｉｍ/2）。設(shè)基本半波振子天線的輸入阻抗為Ｒ1，輸入功率為Ｐ1；半波折合振子天線的輸入阻抗為Ｒ2，輸入功率Ｐ2；當(dāng)兩天線饋以相同的功率時，有：圖4-4折合半波振子天線圖4-5基本半波振子與半波折合振子的等效電路

二、電壓駐波比

當(dāng)天線的輸入阻抗與饋線的特性阻抗不一致時（通常把這種現(xiàn)象稱為不匹配或失配），就會反射。在這種情況下，接收到的信號功率不能全部送入前端系統(tǒng)，當(dāng)饋線較長且嚴(yán)重失配時，就會產(chǎn)生重影。

天線接收到的射頻信號，從天線饋給饋線，再由饋線傳送至前端設(shè)備，若相互之間的阻抗不匹配，則會在饋線中形成入射波與反射波的迭加，形成駐波。通常采用電壓駐波比（VSWR）定量衡量，其定義為：

VSWR＝

（4-3）式中

Vmax——產(chǎn)生駐波時的最大電壓值（波腹）；

Vmin——產(chǎn)生駐波時的最小電壓值（波節(jié)）。

當(dāng)電壓駐波比VSWR＝1時，即阻抗匹配。一般情況下，

VSWR≥1，VSWR越大，說明天線與饋線的匹配越差。三、頻帶寬度

任何電視接收天線都是工作在一定的頻率范圍內(nèi)。規(guī)定天線輸送到饋線的功率下降到最大輸出功率的一半時，所對應(yīng)的頻率范圍稱為天線的頻帶寬度。在此頻帶寬度內(nèi)，天線的各種電氣性能（增益、方向性、電壓駐波比等）基本保持不變。

單頻道天線一般應(yīng)能滿足8MHz帶寬，寬頻帶天線的帶寬，則根據(jù)需要而定。

四、方向性

天線的方向性表示天線接收不同方向傳來的電磁波的能力。天線的方向性通常采用方向性圖表示。不同的電視接收天線，其方向性圖有差異。為了方便對各種天線的方向圖特性進行比較,就需要規(guī)定一些特性參數(shù)。這些參數(shù)有:主瓣寬度、旁瓣電平、前后比及方向系數(shù)等。

1）主瓣寬度

主瓣寬度是說明天線方向性的一個指標(biāo)。某天線方向性圖如圖4-5所示，其中主瓣是波瓣中最大的瓣，它集中了天線接收功率（或場強）的主要部分。除了主瓣外，其余的瓣都是副瓣，副瓣代表天線在不需要的方向上接收的功率（即干擾信號的功率），副瓣電平越高，越容易接收干擾波，希望它越小越好。與主瓣方向完全相反的為后瓣，表示天線接收后方向干擾信號的能力，希望后瓣也是越小越好。

圖4-5極坐標(biāo)場強方向性圖

不同的接收天線，主瓣寬度不一樣，主瓣寬度越尖銳，說明天線定向接收能力越好，即抗干擾能力越強。天線主瓣寬度采用半功率角2θ0.5表示，它是指接收天線的功率密度從最大接收方向上功率密度下降一半所對應(yīng)的角度。也可用場強從最大值下降到0.707倍最大值所對應(yīng)的角度表示。一般情況下，UHF頻段2θ0.5角度較小。

2）前后比

前后比是衡量天線排除后向干擾能力的一個重要指標(biāo)。它是指接收天線的前向最大接收能力與后向最大接收能力的比值，前后比越大，說明天線抗后方向干擾的能力越強。

3）旁瓣電平旁瓣電平是指離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣電平,一般以分貝表示。方向圖的旁瓣區(qū)是不需要輻射的區(qū)域,所以其電平應(yīng)盡可能的低,且天線方向圖一般都有這樣一條規(guī)律:離主瓣愈遠的旁瓣的電平愈低。第一旁瓣電平的高低,在某種意義上反映了天線方向性的好壞。另外,在天線的實際應(yīng)用中,旁瓣的位置也很重要。

五、增益

天線增益表示天線在特定方向接收信號的能力。在有線電視系統(tǒng)中，天線增益采用相對增益表示，即相對于基本半波振子的功率增益。當(dāng)天線最佳取向時，天線輸出端的匹配負載中所吸取的功率（P1），與在相同條件下基本半波振子天線輸出端匹配負載中所吸取的功率（P0）的比值，稱為該天線的相對增益（G）

G＝10lg(P1/P0)dB

或

G＝20lg(E1/E0)dB

若某天線的增益為6dB，則表示該天線的增益比基本半波振子天線高6dB。六、極化特性極化特性是指天線在最大輻射方向上電場矢量的方向隨時間變化的規(guī)律。具體地說,就是在空間某一固定位置上,電場矢量的末端隨時間變化所描繪的圖形。該圖形如果是直線,就稱為線極化;如果是圓，就稱為圓極化;如果是橢圓，就稱為橢圓極化。如此按天線所輻射的電場的極化形式,可將天線分為線極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線。線極化又可分為水平極化和垂直極化;圓極化和橢圓極化都可分為左旋和右旋。當(dāng)圓極化波入射到一個對稱目標(biāo)上時,反射波是反旋向的。在傳播電視信號時,利用這一特性可以克服由反射所引起的重影。七、頻帶寬度對天線的電參數(shù)的影響天線的電參數(shù)都與頻率有關(guān),也就是說,上述電參數(shù)都是針對某一工作頻率設(shè)計的。當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計頻率時,往往要引起天線參數(shù)的變化,例如主瓣寬度增大、旁瓣電平增高、增益系數(shù)降低、輸入阻抗和極化特性變壞等。實際上,天線也并非工作在點頻,而是有一定的頻率范圍。當(dāng)工作頻率變化時,天線的有關(guān)電參數(shù)不應(yīng)超出規(guī)定的范圍，這一頻率范圍稱為頻帶寬度,簡稱為天線的帶寬。八、有效長度

有效長度是衡量天線輻射能力的又一個重要指標(biāo)。天線的有效長度定義如下:在保持實際天線最大輻射方向上的場強值不變的條件下,假設(shè)天線上電流分布為均勻分布時天線的等效長度。它是把天線在最大輻射方向上的場強和電流聯(lián)系起來的一個參數(shù),通常將歸于輸入電流I0的有效長度記為hein,把歸于波腹電流Im的有效長度記為hem。顯然,有效長度愈長,表明天線的輻射能力愈強。第三節(jié)半波振子天線一、基本半波振子天線二、折合半波振子天線第四節(jié)常用的天線天線種類有很多：對稱振子天線陣列天線直立振子天線與水平振子天線引向天線與電視天線移動通信基站天線螺旋天線行波天線寬頻帶天線縫隙天線微帶天線智能天線一、引向天線

引向天線又稱八木天線（上個世紀(jì)二十年代，日本東北大學(xué)的八木秀次和宇田太郞兩人發(fā)明了這種天線，被稱為“八木宇田天線”，簡稱“八木天線”。）。引向天線既可以單頻道使用，也可以多頻道共用；既可作VHF接收，也可作UHV接收。引向天線具有結(jié)構(gòu)簡單，饋電方便，易于制作，成本低，風(fēng)載小等特點，是一種強定向天線。在有線電視系統(tǒng)中，廣泛采用引向天線接收空間開路電視信號。

典型的八木天線應(yīng)該有三對振子，整個結(jié)構(gòu)呈“王”字形。與饋線相連的稱有源振子，或主振子，居三對振子之中，“王”字的中間一橫。比有源振子稍長一點的稱反射器，它在有源振子的一側(cè)，起著削弱從這個方向傳來的電波或從本天線發(fā)射去的電波的作用；比有源振子略短的稱引向器，它位于有源振子的另一側(cè)，它能增強從這一側(cè)方向傳來的或向這個方向發(fā)射出去的電波。引向器可以有許多個，每根長度都要比其相鄰的并靠近有源振子的那根略短一點。引向器越多，方向越尖銳、增益越高，但實際上超過四、五個引向器之后，這種“好處”增加就不太明顯了，而體積大、自重增加、對材料強度要求提高、成本加大等問題卻漸突出。通常情況下有一副五單元八木（即有三個引向器，一個反射器和一個有源振子）就夠用了。引向天線的結(jié)構(gòu)

在引向天線中，各無源振子雖不直接饋電，但在有源振子的作用下，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，其幅度、相位和無源振子到有源振子的距離有關(guān)，因為當(dāng)振子間的距離不同時，電波走過的途徑也不同；還和無源振子的長度有關(guān)，當(dāng)振子略短于半個波長時呈容性，振子略長于半個波長時呈感性。選擇引向器的長度略小于λ/2，引向器之間的距離和到有源振子的距離略小于λ/4，可以使引向器和有源振子在主方向上產(chǎn)生的電磁場相加。選擇反射器的長度略大于λ/2，反射器到有源振子的距離略大于λ/4，也可以使反射器和有源振子產(chǎn)生的電磁場在主方向上相加。由電視發(fā)射塔輻射的電波，經(jīng)引向器的引導(dǎo)和反射器的反射后，將使有源振子沿著接收方向形成單方向的接收。引向天線的設(shè)計見教材P56。結(jié)合P62習(xí)題4.課堂練習(xí)二、組合天線

為了進一步提高天線的方向性和增益，可以利用幾副多單元天線組成組合天線，或稱為天線陣。

1．等幅同相天線陣天線陣排列方法有多種形式。一種為水平排列，即將幾副結(jié)構(gòu)相同的引向天線，按相等間距在水平線上排列，稱為“列”，也稱為水平天線陣，如下圖（a）所示。另一種為垂直排列，即將幾副結(jié)構(gòu)相同的天線按相等的距離在垂直方向上排列，稱為“層”，也稱垂直天線陣，如下圖（b）所示。水平天線陣能提高天線的增益，天線數(shù)目越多，增益也越大。水平天線陣也能改變天線的水平方向性，使水平波瓣變窄，天線數(shù)目越多，水平方向性越尖銳，抗水平方向的干擾能力越強。

垂直天線陣同樣能提高天線的增益，天線數(shù)越多，天線陣的增益也越高。垂直天線陣也能改變天線的垂直方向性，而且天線數(shù)目越多，垂直方向性越好。

2、可變方向性天線陣

電視信號由于受到高大物體影響形成多經(jīng)反射波，它們比直射波滯后一段時間到達天線，因此，在電視主圖像右側(cè)出現(xiàn)重影。若反射波來自斜向，可通過改變天線陣的方向性來抑制反射波造成的重影?？勺兎较蛐蕴炀€清除重影的原理是調(diào)整雙層或雙列二元天線陣的間距或它們之間的相移，使天線方向性圖的零輻射角對準(zhǔn)反射波的來向，從而達到消除重影的目的。

a移相天線的組成原理b差值天線的組成原理

其他幾種天線1、旋轉(zhuǎn)拋物面天線旋轉(zhuǎn)拋物面天線是在通信、雷達和射電天文等系統(tǒng)中廣泛使用的一種天線,它是由兩部分組成的,其一是拋物線繞其焦軸旋轉(zhuǎn)而成的拋物反射面,反射面一般采用導(dǎo)電性能良好的金屬或在其它材料上敷以金屬層制成;其二是置于拋物面焦點處的饋源（也稱照射器）。饋源把高頻導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變成電磁波能量并投向拋物反射面,而拋物反射面將饋源投射過來的球面波沿拋物面的軸向反射出去,從而獲得很強的方向性。

2、卡塞格倫天線卡塞格倫天線是雙反射面天線（旋轉(zhuǎn)拋物面作主反射面,旋轉(zhuǎn)雙曲面作副反射面）,它已在衛(wèi)星地面站、單脈沖雷達和射電天文等系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。與單反射面天線相比,它具有下列優(yōu)點:①由于天線有兩個反射面,幾何參數(shù)增多,便于按照各種需要靈活地進行設(shè)計;②可以采用短焦距拋物面天線作主反射面,減小了天線的縱向尺寸;③由于采用了副反射面,饋源可以安裝在拋物面頂點附近,使饋源和接收機之間的傳輸線縮短,減小了傳輸線損耗所造成的噪聲。

卡塞格倫天線是由主反射面、副反射面和饋源三部分組成的。主反射面是由焦點在F焦距的f拋物線繞其焦軸旋轉(zhuǎn)而成;副反射面是由一個焦點在F1（稱為虛焦點,與拋物面的焦點F重合）,另一個焦點在F2（稱為實焦點,在拋物面的頂點附近）的雙曲線繞其焦軸旋轉(zhuǎn)而成,主、副面的焦軸重合;饋源通常采用喇叭,它的相位中心位于雙曲面的實焦點F2上,如圖所示。

3、智能天線（SmartAntenna或IntelligentAntenna）。最初應(yīng)用于雷達、聲納及軍用