軟件無線電原理與應(yīng)用第3版 課件 【ch07】無線電通信天線

軟件無線電原理與應(yīng)用（第三版）無線電通信天線第七章高等學校電子信息類精品教材01天線的主要性能指標天線的主要性能指標01方向圖及波束寬度天線方向圖是表征天線輻射的電磁場大小的三維空間分布圖，通過天線方向圖可以得到天線不同指向的輻射特性，如方向性系數(shù)、波束寬度、副瓣特性等。天線的主要性能指標01方向圖及波束寬度描述天線方向圖的參數(shù)有：波束寬度[一般情況下為半功率(3dB)波瓣寬度，特殊要求下有專門的規(guī)定，如10dB波束寬度、零值寬度等]、副瓣電平(指副瓣中的最大值與主瓣最大值之比)。天線方向圖示意圖如圖7.1所示。天線的主要性能指標01方向性系數(shù)與增益方向性系數(shù)用來描述天線集中在某方向的輻射能量較其他方向輻射能量的強弱特性。天線的主要性能指標01方向性系數(shù)與增益天線的主要性能指標01方向性系數(shù)與增益引起實際天線的效率下降的因數(shù)主要包括：天線電阻損耗、匹配網(wǎng)絡(luò)損耗以及失配損耗。除了相對于理想點源的增益(也稱絕對增益)外，天線增益有時也用相對增益表示，即在給定方向上天線的增益與極化相同的參考天線絕對增益之比，最常見的是以無耗半波偶極子天線為參考天線，單位為dBd,如圖7.2所示。天線的主要性能指標01方向性系數(shù)與增益天線的主要性能指標01電壓駐波比天線的電壓駐波比(VSWR)是描述天線輸入阻抗與傳輸線阻抗的失配程度的一個重要參數(shù)，它反映了電磁能量通過天線饋線耦合至天線的程度。天線的主要性能指標01電壓駐波比天線的主要性能指標01極化天線極化是指在輻射遠場區(qū)和規(guī)定的方向上，天線輻射的電場矢量端點在垂直于電磁波傳番方向平面上的軌跡。在笛卡兒坐標系下，沿z軸傳播電場可表示為天線的主要性能指標01極化此時，電場矢量的端點軌跡為圓形，極化為圓極化，如圖7.3(b)所示。沿傳播方向看電場矢量旋轉(zhuǎn)方向是順(逆)時針的，稱為右(左)旋極化。天線的主要性能指標01極化嚴格意義上說，一個周期內(nèi)的電場矢量端點的軌跡為橢圓，如圖7.3(c)所示。衡量極化特性的一個重要指標為軸比(AR),定義為極化橢圓的長軸與短軸之比：AR=OA/OB02幾類基本天線形式幾類基本天線形式02電偶極子天線電偶極子天線是最為常見的線天線形式，由對稱的二臂振子組成，中心饋電，如圖7.4(a)所示，其在垂直于天線振子的平面各方向輻射強度相等，呈現(xiàn)全向特性，在平行于振子平面為8字形方向圖。幾類基本天線形式02電偶極子天線幾類基本天線形式02電偶極子天線電偶極子天線的一個典型的派生產(chǎn)品是定向偶極子天線，如圖7.6所示。其結(jié)構(gòu)簡單，將一對平板偶極子天線架設(shè)在距離反射面約1/4波長的位置，一臂振子直接與同軸電纜外皮連接，同軸芯線通過饋電片與另一臂振子連接，該振子通過短路柱連接至反射板。幾類基本天線形式02磁偶極子天線典型的磁偶極子天線是電小環(huán)天線，用一根遠小于波長的金屬導線繞成一定的形狀，以導體的兩端作為饋電端的環(huán)狀天線。為了提高電小環(huán)天線的輻射效率，可采用多圈環(huán)或在環(huán)中加入磁芯進行磁加載。常見的電小環(huán)天線繞制成圓形環(huán)、三角形環(huán)或菱形環(huán)，如圖7.7所示。幾類基本天線形式02磁偶極子天線幾類基本天線形式02磁偶極子天線圖7.8所示分別為電小環(huán)天線的模型[圖7.8(a)]和仿真方向圖[圖7.8(b)]。幾類基本天線形式02磁電偶極子天線磁電偶極子天線是將電偶極子天線和磁偶極子天線組合在一起的天線形式。電偶極子天線E面方向圖為8字，H面方向圖為全向的O形，而磁偶極子天線則正好相反，二者間有互補關(guān)系。將二者結(jié)合的磁電偶極子天線E面和H面方向圖寬度相近，且具有定向輻射特性；另外通過合理地選擇天線尺寸，可實現(xiàn)較寬的工作頻帶內(nèi)平穩(wěn)的天線阻抗特性，該天線在移動通信的基站上有很多應(yīng)用。幾類基本天線形式02正交偶極子天線正交偶極子天線由兩對相互垂直的對稱偶極子天線組成，每對偶極子通過獨立的饋電電纜饋電，分別組成一線極化天線。兩對天線放置在同一口徑內(nèi)，由于彼此正交，相互間具有較好的隔離度。幾類基本天線形式02正交偶極子天線幾類基本天線形式02微帶天線微帶天線是在帶有導體接地板的介質(zhì)基片上貼加導體薄片而形成的天線。具有質(zhì)量輕、低剖面的特點，易于與載體共形。幾類基本天線形式02Vivaldi天線Vivaldi天線是一種寬帶定向天線，具有兩個對稱的輻射臂，主要組成包括指數(shù)漸變槽線(輻射臂)和饋電巴倫。Vivaldi天線是一種指數(shù)漸變槽線天線(ExponientiallyTaperedSlotAntenna,ETSA),起初是由PJ.Gibson于1979年提出的。幾類基本天線形式02Vivaldi天線幾類基本天線形式02喇叭天線喇叭天線是微波波段常用的一種天線形式，其可以作為中等增益的口徑天線，同時常作為反射面天線的饋源使用。通過不同的極化激勵，喇叭天線可形成不同的極化方式。由于喇叭天線的設(shè)計值和實際測量值接近，喇叭天線常用作微波頻段的標準天線。基本的喇叭天線形式有以下幾種，如圖7.17所示。幾類基本天線形式02喇叭天線幾類基本天線形式02喇叭天線幾類基本天線形式02喇叭天線幾類基本天線形式02對數(shù)周期天線對數(shù)周期天線是很常見的寬頻帶定向天線，由長度按一定比例變化、平行排列的多根電偶極子組合而成，通過平衡傳輸線(集合線)從最短振子端饋電。天線的電特性隨頻率的對數(shù)作周期性變化，且在一個周期內(nèi)天線的電特性變化不大。幾類基本天線形式02對數(shù)周期天線圖7.22給出了對數(shù)周期天線增益隨設(shè)計的各參數(shù)變化的曲線圖。幾類基本天線形式02八木天線八木天線是由多根金屬細振子組成的定向天線，如圖7.23(a)所示。其中由一根有源振子饋電，其余為多根引向器和反射器，反射器的根數(shù)通常為一根。有源振子的長度約為二分之一波長，反射器的長度略大于有源振子，而引向器長度略小于有源振子，振子間距為(0.1～0.3)λ。幾類基本天線形式02八木天線03可重構(gòu)天線可重構(gòu)天線03頻率可重構(gòu)天線圖7.24所示為基于圓形微帶貼片天線形式實現(xiàn)頻率重構(gòu)的例子。天線結(jié)構(gòu)形式如圖7.24(a)所示，天線輻射部分主要為一圓形貼片，在圓形貼片外附加二對矩形貼片，在圓貼片內(nèi)及4個矩形貼片端焊接6個(3對)pin開關(guān)(D1～D6);pin開關(guān)的“開”狀態(tài)近似射頻短路、“關(guān)”狀態(tài)近似射頻開路。通過控制3對pin開關(guān)處于不同的“開”“關(guān)”狀態(tài)，使得微帶貼片天線的諧振中心頻率分別調(diào)整于1.8GHz、2.1GHz、2.4GHz三個頻點，如圖7.24(b)所示。可重構(gòu)天線03頻率可重構(gòu)天線可重構(gòu)天線03極化可重構(gòu)天線圖7.25為一個基于正方形微帶貼片天線實現(xiàn)極化可重構(gòu)的例子。將一個正方形的微帶貼片天線4個角與主貼片斷開，用4個pin二極管(開關(guān))連接，如圖7.25所示?？芍貥?gòu)天線03極化可重構(gòu)天線可重構(gòu)天線03方向圖可重構(gòu)天線圖7.26為一個基于微帶八木天線實現(xiàn)方向圖重構(gòu)的例子。天線為一個三振子組成的微帶八木天線，其中中間振子饋電(為調(diào)節(jié)阻抗匹配，饋電位置在非中心位置),外圍兩個振子為無源振子，將二無源振子靠近二端斷開，如圖7.26(a)所示，斷開處用變?nèi)荻O管連接。工作時，通過控制加載在變?nèi)荻O管兩端的電壓，改變變?nèi)荻O管的電容值，使得二無源振子的加載電容值發(fā)生變化，達到天線的波束指向改變的目的?？芍貥?gòu)天線03方向圖可重構(gòu)天線04用于智能處理的陣列天線用于智能處理的陣列天線04一維線性陣列天線一維線性陣列天線是陣列天線的基本形式，其合成的示意圖如圖7.28所示。用于智能處理的陣列天線04圓形陣列天線另一種常見的陣列為如圖7.31所示的圓形陣列，N個天線均勻分布在一個水平面的同心圓上，如圖所示。由于圓形陣列在水平面分布的幾何特點，可以在水平面360°實現(xiàn)基本一致的性能。用于智能處理的陣列天線04圓形陣列天線用于智能處理的陣列天線04陣列天線的去耦由于天線平臺的物理空間限制，天線單元相互靠近，在一般陣列天線的設(shè)計中，天線單元間的互耦成為影響陣列天線性能的重要因素。在MIMO系統(tǒng)中，天線互耦的存在會導致系統(tǒng)信道容量的降低；在相控陣系統(tǒng)中，互耦影響可能導致掃描盲點的出現(xiàn)。用于智能處理的陣列天線04陣列天線的去耦用于智能處理的陣列天線04緊耦合天線陣列常規(guī)陣列天線設(shè)計中，天線陣元作為一個獨立的天線輻射單元考慮，組成陣列后，天線單元間的互耦會影響單元的阻抗帶寬和輻射特性，抑制天線單元間的互耦是設(shè)計天線陣列的主要思路。然而，在寬頻帶、寬角度掃描的天線陣列中，抑制互耦就成了很難解決的難題。用于智能處理的陣列天線04緊耦合天線陣列用于智能處理的陣列天線