第十五講微波通信對天線設(shè)備的要求

第十五講微波通信對天線設(shè)備的要求第一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一饋線的定義:指連接微波收發(fā)信設(shè)備與天線的微波傳輸線和有關(guān)的微波器件.分類:同軸電纜型和波導(dǎo)型第二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一第三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一阻抗變換器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75Ω，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50Ω。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。當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體外徑d固定時(shí)，同軸線特性阻抗Ｚc與外導(dǎo)體內(nèi)徑Ｄ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)到阻抗匹配的目的第四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一1/4波長的傳輸線有其特殊性。該傳輸線的特性阻抗為:第五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一極化分離器圖中為圓波導(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。在同軸線中傳播的電波是橫電磁波。其電場方向與同軸線內(nèi)導(dǎo)體垂直；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(hào)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。第六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一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(hào)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(hào)將被去耦板隔離而不會(huì)傳到接收端口2，從而進(jìn)一步提高了收發(fā)信號(hào)之間的隔離度。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(hào)要比收信信號(hào)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(hào)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(hào)，而發(fā)信仍接在端口1，只需將極化分離器旋轉(zhuǎn)90°即可。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(hào)中心頻率的1/4波長第七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一天饋線的安裝檢查

天饋線系統(tǒng)在安裝調(diào)試時(shí)，要嚴(yán)格按照施工調(diào)試技術(shù)規(guī)范進(jìn)行。因?yàn)樘祓伨€系統(tǒng)的安裝過程中存在著隱蔽工程，隱蔽工程一旦出現(xiàn)質(zhì)量隱患，就會(huì)為以后的維護(hù)留下后患。這一階段要嚴(yán)格控制安裝調(diào)試質(zhì)量，做好以下方面的施工檢查工作：

1.天線、饋線上鐵塔時(shí)不能有碰撞，防止受力變形，影響技術(shù)性能。

2.按施工設(shè)計(jì)圖紙檢查天線安裝的高度和方位，各安裝部件要緊固良好。

3.饋線彎曲和扭轉(zhuǎn)時(shí)，彎曲半徑和扭轉(zhuǎn)角度要符合饋線廠家要求。

4.做饋線法蘭盤時(shí)，要認(rèn)真仔細(xì)，不能將碎銅屑留在饋線波導(dǎo)管內(nèi)。饋線與天線連接時(shí)，接頭不能受力，要自然對接。切不可硬靠螺絲強(qiáng)拉硬接，以免饋線或天線饋線源長期受力而損壞。這一環(huán)節(jié)要防止質(zhì)量隱患。

5.天饋線接地要可靠良好。接地裝置與鐵塔鍍鋅件連接必須先鍍錫，每條饋線要有三處接地，位置分別為天線背后，饋線上鐵塔1米處和饋線進(jìn)機(jī)房前。

6.饋線固定要牢固，固定間距不得超出每1.2米固定一次的要求，以防止饋線長期受大風(fēng)吹刮擺動(dòng)而損壞。第八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一天饋線調(diào)試

1.天線方位調(diào)整：在發(fā)信端送標(biāo)準(zhǔn)電平，反復(fù)調(diào)整收發(fā)天線，使收信電平達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.駐波比(S)：在全頻段內(nèi)，在微波機(jī)架頂測天饋線的駐波比不應(yīng)大于1.15。如不符合指標(biāo)，要檢查天饋線各接頭是否匹配良好，饋線彎曲半徑、扭轉(zhuǎn)角度是否符合要求。

3.交叉極化去耦度(XPD)：這一指標(biāo)對于同頻異極化復(fù)用降低交叉極化干擾具有重要作用。測試中若指標(biāo)不合格可調(diào)整收發(fā)兩站天線饋源的極化方向。

4.饋線衰耗：每根饋線衰耗值不能高于設(shè)計(jì)值。若不合格應(yīng)檢查饋線有無碰撞受力變形，接頭是否匹配良好。若施工時(shí)環(huán)境濕度過大，要檢查饋線內(nèi)是否嚴(yán)重受潮凝水。

5.充氣氣壓：充氣氣壓值為1300Kpa，經(jīng)24小時(shí)后不低于1100Kpa。否則要檢查天饋線密封是否良好，充氣機(jī)工作是否正常。第九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一天饋線系統(tǒng)故障處理

在多波道共用天饋線系統(tǒng)的微波中繼通信電路中，天饋線系統(tǒng)故障主要有兩個(gè)特征。一是，故障時(shí)共用天饋線系統(tǒng)的各個(gè)波道同時(shí)出現(xiàn)相同的故障現(xiàn)象。二是，天饋線系統(tǒng)故障在電路中表現(xiàn)為收信電平下降和電路噪聲升高。

常見故障有：天線方位偏移；饋線碰撞變形；密封不嚴(yán)進(jìn)水；極化去耦度下降等。

隨著微波通信向無人值守的發(fā)展，網(wǎng)管系統(tǒng)對電路中的設(shè)備和電路質(zhì)量等都提供了功能強(qiáng)大的監(jiān)控管理，可將天饋線系統(tǒng)納入監(jiān)控管理。

根據(jù)實(shí)際需要，在天饋線系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。一是充氣部分，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)較為容易，因?yàn)槌錃鈾C(jī)帶有遙信接口可將充氣氣壓變化情況傳送到網(wǎng)管系統(tǒng)；二是天線方位，實(shí)際維護(hù)中這也是較易出故障的部位?？梢酝ㄟ^對共用天饋線系統(tǒng)各波道收信電平進(jìn)行檢測，設(shè)置收信電平與天線方位對應(yīng)關(guān)系，間接的反映天線方位有關(guān)情況。第十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一5.3.2微波天線的技術(shù)要求發(fā)射天線:把饋線送來的微波信號(hào)能量轉(zhuǎn)換為電磁波能量接收天線:把空間電磁波能量轉(zhuǎn)換為電流能量，所以,發(fā)射和接收是可逆的物理過程,一個(gè)天線既可作為發(fā)射天線又可作為接收天線。*天線的電指標(biāo)1、天線的方向圖繪制方向性函數(shù)的曲線圖就是天線方向圖.第十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一

方向性函數(shù):對于固定的距離,某方向上的電場強(qiáng)度的大小與最大輻射方向的電場強(qiáng)度的比值就是方向性函數(shù)第十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一工程上常用的方向圖是天線在兩個(gè)主平面內(nèi)的方向圖第十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一復(fù)合振子單元示意圖1平面電單極子2磁振子3金屬圓盤A、B、C縫隙L電單極子的高度側(cè)視圖

前視圖

調(diào)節(jié)長度L,使得磁流和電流之間的相移最佳。選擇槽2和單極子1的幾何尺寸來滿足電流和磁流矩之間所需的關(guān)系。調(diào)節(jié)單極子和金屬板間的縫隙寬度A、B和C，產(chǎn)生最佳的通頻帶和強(qiáng)電磁輻射。

第十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一復(fù)合振子天線單元在兩個(gè)主平面內(nèi)對最大值歸一化后的輻射方向圖

方向圖的對稱與否是由天線的偏饋結(jié)構(gòu)所決定的,天線的饋源位于天線的下方,因此E面方向圖不對稱是必然的結(jié)果第十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一2方向圖的波瓣寬度波瓣圖:天線的方向圖又叫波瓣圖.主瓣:最大輻射方向的波瓣后瓣:背向最大輻射方向的波瓣旁瓣(副瓣):其它方向的波瓣第十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一

常用指標(biāo):主瓣寬度,副瓣電平和后瓣電平主瓣寬度:指在主瓣最大值兩側(cè)功率密度等于最大值的兩個(gè)方向間的夾角,記為或也可用主瓣兩側(cè)的零輻射方向間的夾角表達(dá)主瓣寬度,記為或.

3副瓣與近場隔離第一副瓣電平:靠近主瓣的副瓣,其最大值與主瓣最大值之比的分貝數(shù).第十七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一俄羅斯“貝殼”連續(xù)波低空補(bǔ)盲雷達(dá)一種低空雷達(dá)垂直波瓣寬度展寬的方法第十八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一有兩路獨(dú)立的收發(fā)通道存在垂直探測波瓣較窄的問題第十九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一第二十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一第二十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一第二十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一一般,要求副瓣和后瓣盡可能小,用近場隔離度表達(dá),分以下幾種情況:當(dāng)發(fā)射天線和接收天線背對背掛置時(shí),其中發(fā)射天線發(fā)射的信號(hào)能量會(huì)被接收天線收到一部分,這部分能量與發(fā)射天線發(fā)射的總能量之比稱為背背隔離度,一般要求在-80dB--90dB以上.當(dāng)發(fā)射天線和接收天線肩并肩地掛在一起,接收天線同樣會(huì)從發(fā)射天線發(fā)射信號(hào)能量中收到一部分能量,這部分能量與發(fā)射天線發(fā)射的總能量之比稱為肩肩隔離度,一般要求在-70dB--80dB以上第二十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一接收天線從正前方接收電磁波的能力與從其后方接收電磁波的能力之比稱為前后比,一般要求在50dB以上雙極化天線能同時(shí)接收(或發(fā)射)兩個(gè)極化方向互相正交的電磁波.系統(tǒng)對兩種極化分量接收量之比(或發(fā)射量之比)稱為極化隔離度.一般要求極化隔離度在25~35dB以上第二十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一背靠背鄰近拋物面天線之間的耦合1.求出由拋物面B的饋源入射并與拋物面B的邊緣相切的電場和磁場分量。2.求出與拋物面A邊緣相切的電磁場分量。如利用幾何繞射理論3.確定圍繞拋物面A邊緣流動(dòng)的等效邊緣電流。4.確定由這些電流在拋物面A焦平面內(nèi)所建立的場。6.利用功率耦合公式計(jì)算由該場耦合到拋物面波導(dǎo)饋源內(nèi)的功率。第二十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一可以看出在所有情況下，當(dāng)它們的間隔增大時(shí)天線間的耦合值都是振蕩而遞減的，改變反射體直徑第二十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一4方向性系數(shù)為了對不同天線方向性之間作定量比較,定義方向性系數(shù):當(dāng)有向天線在主射方向上與無向天線在同一距離處獲得相等場強(qiáng)時(shí),無向天線所需的輻射功率與有向天線的輻射功率的比值微波通信所用的拋物面天線的D高達(dá)103~104第二十七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一5天線效率定義:天線輻射到外部空間的功率與輸入到天線上的功率之比微波天線的天線效率一般較大,可接近于16增益定義:有向天線在主射方向與無向天線在同一距離處獲得相同的場強(qiáng)下,無向天線的輸入功率與有向天線的輸入功率之比第二十八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一7接收天線的有效面積定義:天線的極化與來波極化完全匹配,以及負(fù)載與天線阻抗共軛匹配的最佳狀態(tài)下,天線在最大方向所接收的功率與入射電磁波能流密度的比與增益的關(guān)系:當(dāng)理想點(diǎn)源的G=1,它的有效面積為第二十九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一8輸入阻抗定義:端口上的電壓和電流的復(fù)振幅之比如果天線的輸入阻抗與饋線的特性阻抗不匹配,會(huì)在饋線中形成駐波,使饋線功率容量變小,傳輸效率降低,還會(huì)造成通信失真.衡量天線匹配性能用反射系數(shù)或駐波比表達(dá).第三十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一5.3.3微波通信天線1拋物面天線第三十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一組成:輻射源與旋轉(zhuǎn)拋物面特點(diǎn):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)拋物面反射后形成一個(gè)聚合的波束,并向指定方向輻射電磁波.第三十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一性質(zhì):任一由焦點(diǎn)發(fā)出的射線經(jīng)過拋物面反射后都與拋物面軸線平行;垂直于基軸Z的平面就是經(jīng)拋物面反射后的電磁波的等相位面.第三十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一A是拋物面的口徑面積;F是拋物面的焦點(diǎn);是拋物面的焦距;原點(diǎn)O是拋物面的頂點(diǎn);OZ是拋物面的軸線;是拋物面的張角;2R0=D0是拋物面口面直徑.第三十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一口徑焦距比D0/f或口徑張角的關(guān)系:拋物面天線增益可用天線口徑面積A表達(dá)為:式中,

是拋物面天線的口徑利用系數(shù),定義為天線有效面積與拋物面天線口徑面積的比值,一般只能達(dá)到50%-60%拋物面天線的半功率角為:第三十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一2卡塞格侖天線第三十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一工作原理:當(dāng)輻射器位于旋轉(zhuǎn)雙曲面的實(shí)焦點(diǎn)O2時(shí),由O2發(fā)出的射線經(jīng)過雙曲面反射后的射線,