天线基本知识PPT课件.ppt

2009年7月 天线基本知识 1 1 天线的起源和发展 1865年 麦克斯韦创立了麦格斯韦方程1888年 赫兹用实验证实电磁波辐射天线 理论与实验的完美结合从此 人造的无线电波充满了世界的每一个角落 今天 甚至在地下室 隧道等地方都存在着电磁波 2 军事 战争推动了天线的发展 二次大战 雷达 雷达天线 第一应用背景 通信天线 副产品 雷达天线的发展 技术积累和沉淀 今天的移动通信天线的技术基础种类繁多的雷达天线 阵列天线 单 双极化基站天线 相控阵天线 多波束基站天线 自适应天线 智能天线 3 雷达阵列天线走过的历程 4 雷达阵列天线走过的历程 5 雷达阵列天线走过的历程 6 7 军事 战争推动了天线的发展 二次大战 雷达 雷达天线 第一应用背景 通信天线 副产品 雷达天线的发展 技术积累和沉淀 今天的移动通信天线的技术基础种类繁多的雷达天线 阵列天线 单 双极化基站天线 相控阵天线 多波束基站天线 自适应天线 智能天线 2020 1 7 8 雷达阵列天线走过的历程 2020 1 7 9 2020 1 7 10 2020 1 7 11 2020 1 7 12 2020 1 7 13 2020 1 7 14 天线的任务是将发射机输出的高频电流能量转换成电磁波辐射出去 或将空间电波信号转换成高频电流能量送给接收机 由此 天线就可分为 发射天线 接收天线 2020 1 7 15 天线的发展趋势 多频带多极化的微带天线多波束天线自适应天线智能天线 2020 1 7 16 天线的分类 用途 通信天线 广播和电视天线 雷达天线 导航和测向天线工作波长 长波天线 中波天线 短波天线 超短波天线 微波天线特色 圆极化天线 线极化天线 窄频带天线 宽频带天线 非频变天线 数字波束天线等 2020 1 7 17 基本振子的辐射 尽管各类天线的结构 特性各不相同 但是分析它们的基础却建立在电 磁基本阵子的辐射机理上 电 磁基本阵子作为最基本的辐射源 2020 1 7 18 电基本振子的辐射 电基本阵子又称电流元 它是指一段理想的高频电流直导线 其长度l远小于波长 其半径a远小于l 同时振子沿线的电流I处处等幅同相 用这样的电流元可以构成实际的更复杂的天线 因而电基本振子的辐射特性是研究更复杂天线辐射特性的基础 2020 1 7 19 磁基本振子的辐射 磁基本振子又称磁流元 磁偶极子 尽管他是虚拟的 迄今为止还不能肯定自然界中是否有孤立的磁荷和磁源存在 但是它可以与一些实际波源相对应 2020 1 7 20 发射天线的电参数 电指标 描述天线工作特性的参数 它们是定量衡量天线性能的尺度 有方向函数 方向图 方向图参数 方向系数 天线效率 增益系数 天线的极化 有效长度输入阻抗与辐射阻抗 频带宽度 2020 1 7 21 方向函数 方向性 就是在相同距离的条件下天线辐射的相对值与空间方向的关系 2020 1 7 22 若天线辐射的电场强度为 把电场强度 绝对值 写成 为场强方向函数 因此 方向函数可定义为 2020 1 7 23 方向图 将方向函数用曲线描述处理 称之为方向图 方向图就是天线等距处 天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变化的图形 依据归一化方向函数而绘出的为归一化方向图 2020 1 7 24 2020 1 7 25 方向图参数 实际的方向图要比电基本振子的复杂 通常有多个波瓣 它可细分为主瓣 副瓣和后瓣 2020 1 7 26 用于描述方向图的参数通常1 零功率波瓣宽度 指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角 2 半功率波瓣宽度 指主瓣最大值两边场强等于最大值的0 707倍 或最大功率密度的一半 的两幅射方向之间的夹角 3 副瓣电平 指副瓣最大值与主瓣最大值之比 一般以分贝表示 即 式中 2020 1 7 27 4 前后比 指主瓣最大值与后瓣最大值之比 通常也用分贝表示 2020 1 7 28 方向系数 上述方向角参数虽能从一定程度上描述方向图的状态 但它们一般仅能反映方向图中特定方向的辐射强弱程度 未能反映辐射在全空间的分布状态 因而不能单独体现天线的定向辐射能力 为了更精确地比较不同天线之间的方向性 需引入一个能定量地表示天线定向辐射能力的电参数 这就是方向系数 方向系数在同一距离及相同辐射功率的条件下 某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度 场强的平方 和无方向性天线的辐射功率密度 场强的平方 之比 记为D 2020 1 7 29 方向系数 上述方向角参数虽能从一定程度上描述方向图的状态 但它们一般仅能反映方向图中特定方向的辐射强弱程度 未能反映辐射在全空间的分布状态 因而不能单独体现天线的定向辐射能力 为了更精确地比较不同天线之间的方向性 需引入一个能定量地表示天线定向辐射能力的电参数 这就是方向系数 方向系数在同一距离及相同辐射功率的条件下 某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度 场强的平方 和无方向性天线的辐射功率密度 场强的平方 之比 记为D 2020 1 7 30 天线效率 一般说来 载有高频电流的天线导体及其绝缘介质都会产生损耗 因此输入天线的实际功率并不能全部地转换成电磁波能量 可以用天线效率来表示这种能量转换的有效程度 天线效率定义天线辐射功率与输入功率之比 2020 1 7 31 增益系数 方向系数只是衡量天线定向辐射特性的参数 它只决定于方向图 天线效率则表示了天线在能量上的转换效能 而增益系数则表示了天线的定向收益程度 增益系数的定义是 在同一距离及相同输入功率的条件下 某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度 或场强的平方 和理想无方向性天线的辐射功率密度 或场强的平方 之比 记为G 2020 1 7 32 2020 1 7 33 天线的极化 天线的极化是指该天线在给定方向上远区辐射电场的空间取向 一般而言 特指为该天线在最大辐射方向上的电场的空间取向 实际上 天线的极化随着偏离最大辐射方向而改变 天线不同辐射方向可以有不同的极化 所谓辐射场极化 即在空间某一固定位置上电场矢量端点随时间运动的轨迹 按其轨迹的形状可分为线极化 圆极化和椭圆极化 其中圆极化还可以根据其旋转方向分为右旋圆极化和左旋圆极化 2020 1 7 34 有效长度 一般而言 天线上的电流分布是不均匀的 也就是说天线上各部分的辐射能力不一样 为了衡量天线的实际辐射能力 常采用有效长度 它的定义是 在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不变的条件下 假设天线上的电流分布为均匀分布时天线的长度 2020 1 7 35 频带宽度 天线的所有电参数都和工作频率有关 任何天线的工作频率都有一定的范围 当工作频率偏离中心工作频率时 天线的电参数将变差 其变差的容许程度取决于天线设备系统的工作特性要求 当工作频率变化时 天线的有关电参数变化的程度在所允许的范围内 此时对应的频率范围成为频带宽度 按照频带宽度的不同 可以把天线分为窄频带天线 宽频带天线和超宽频带天线 2020 1 7 36 简单的线天线 在LF UHF频段广泛应用线天线 在UHF高端及微波波段主要应用面天线 线天线的形式有很多 如双极天线 鞭状天线 引向天线等 在通信中 常使用水平天线 水平架设的天线的优点有 1 假设和馈电方便2 地面电导率对水平天线方向性的影响较垂直天线小3 可减小干扰对接收的影响 因为水平对称辐射水平极化波 而工业干扰大多为垂直极化波 故可减少干扰对接收的影响 2020 1 7 37 面天线 面天线用在无线电频谱的高频段 尤其是微波段 面天线的种类很多 常见的有喇叭天线 抛物面天线 这些天线所载的电流是分布在金属面上的 而金属面的口径尺寸远大于工作波长 面天线在雷达 导航 卫星通信以及气象等无线电技术设备中获得广泛的应用 2020 1 7 38 智能天线 智能天线是在自适应滤波和阵列信号处理技术的基础上发展起来的 20世纪90年代初 随着移动通信的发展 阵列信号处理技术被引入移动通信领域 形成了智能天线这个新的研究领域 智能天线的基本思想是利用各用户信号空间特征的差异 采用阵列天线技术 根据某个接收准则自动调节各天线阵元的加权向量 达到最佳接收和发射 使得在同一信道上接收和发射多个用户的信号而又不互相干扰 智能天线技术以其独特的抗多址干扰和扩容能力 不仅成为目前解决个人通信多址干扰 容量限制等问题的最有效的手段 而且也被公认为是未来移动通信的一种发展趋势 成为第三代移动通信系统的核心技术 2020 1 7 39 智能天线分为两大类 自适应天线和多波束天线 自适应天线是一种控制反馈系统 它根据一定的准则 采用数字信号处理技术形成天线阵列的加权向量 通过对接收到的信号进行加权合并 在有用信号方向上形成主波束 而在干扰方向上形成零陷 从而提高信号的输出信噪比 多波束天线采用多个波束覆盖整个用户区 每个波束的指向固定 波束宽度随天线阵元数目的确定而确定 系统根据用户的空间位置选取相应的波束 使接收的信号最佳 2020 1 7 40 目录 41 一 天线信号接收和发射原理 什么是天线 把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间 收集无线电波并产生电信号 42 天线的作用 天线尤如人的耳目一样重要 无线设备的千里眼 顺风耳 如果没有天线 再先进的雷达 也无法发现几千米之外的目标 洲际导弹 如果没有天线 就会失去遥控 乱飞乱炸 对无线通信系统也同样是这样 再先进的基站通信设备 没有好的天线 也无法发挥优良的性能 可见天线是无线通信系统的重要组成部分 43 天线的作用 将传输线中的高频电磁能量转成为自由空间的电磁波 或反之将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能 因此 要了解天线的特性就必然需要了解自由空间中的电磁波及高频传输线的一些相关的知识 44 天线的辐射 平行双线载有交变电流时 就可以形成电磁波的辐射 辐射的能力与导线的长短和形状有关 如果导线位置如下图所示 由于两导线的距离很近 电流方向相反 两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消 因而辐射很微弱 45 天线的辐射 如果将两导线张开 这时由于两导线的电流方向相同 由两导线所产生的感应电动势方向相同 因而辐射较强 46 天线的辐射 当张开部分的导线长度远小于波长时 导线的电流很小 辐射很微弱 当导线的长度增大到可与波长相差不是太远时 导线上的电流就大大增加 因而就能形成较强的辐射 因此 天线尺寸与波长相关 即与频率相关 频率越高 天线尺寸越小 波长 频率 真空中的光速 常数 47 二 常用天线性能指标介绍 对单极化天线方向图增益输入阻抗 电压驻波比 极化带宽功率容量3阶无源互调 PIM 2对双极化天线除具有单极化天线的电参数外还具有隔离度交叉极化比 天线的主要电参数 48 天线的方向图 把天线在空间辐射强度随方位 俯仰角度分布的曲线图形叫天线方图 天线方向图通常是一个三维空间的曲面图形 为了表示方便起见 在工程中常用归一化方向图 49 天线的方向图 50 在工程上为了方便表示起见 常用两个相互正交主平面上的剖面图来表示天线的方向图 E面方向图 电场矢量与传播方向构成的平面 垂直面方向图H面方向图 磁场矢量与传播方向构成的平面 水平面方向图 在工程上为了方便表示起见 常用两个相互正交主平面上的剖面图来表示天线的方向图 E面方向图 电场矢量与传播方向构成的平面 垂直面方向图H面方向图 磁场矢量与传播方向构成的平面 水平面方向图 主平面方向图 51 与方向图有关的几个参数 主瓣 半功率波束宽度HPBW 副瓣 上第一副瓣 零深 下第一个零深 前 后比 F B比 52 2020 1 7 53 天线的方向图 54 波瓣宽度 主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度 称为半功率 角 瓣宽 主瓣瓣宽越窄 则方向性越好 抗干扰能力越强 55 半功率波束宽度 HPBW 定义 在主平面 E面或H面 方向图中把功率下降一半的波束宽度叫半功率波束宽度 在场强方向图中 场强下降0 707倍所夹的角度 在归一化dB方向图 最大值为 dB 中 3dB所夹的角度 56 主瓣与副瓣 副瓣与副瓣之间的凹点叫零深 把主瓣与第一副瓣之间的凹点叫第一零深 在移动通信中 由于下第一个零深会影响通信 所以往往采用赋形天线技术来填零 零深 57 在天线的主平面方向图中 除了主瓣之外 把比主瓣小的所有辐射瓣都叫副瓣 把紧邻主瓣的副瓣叫第一副瓣 在归一化dB方向图中副瓣电平均为 dB 不管是在微蜂窝基站中使用的全向天线还是定向板状天线 当主波束下倾时 上第一副瓣会越区造成干扰 因而要用赋形技术来抑制上第一副瓣电平 副瓣电平 58 前 后比 F B 在水平面或垂直面方向图中 把天线在前向 0 最大辐射方向 辐射功率P 0 与后向 180 30 最大辐射功率Pmax 180 30 之比定义为天线的前后辐射比 F B dB 10lg 0 Pmax 180 30 在归一化dB方向图中 前后比就是后向 150 210 范围内的最大副瓣电平的 dB数 59 天线的增益 增益是天线极为重要的参数 它表示空间能量的集中程度 常用dB表示天线增益的大小 常用两种方法定义天线的增益 相对理想点源 各向同性辐射体 其单位用dBi表示 相对半波偶极子 其单位用dBd表示 由于自由空间半波长偶极子的增益为2 15dBi 故dBd比dBi大2 15dB 60 dBd和dBi的区别 61 天线的极化就是它辐射无线电波中电场的极化 天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向 天线的极化 62 双极化天线 两个天线为一个整体 传输两个独立的波 63 交叉极化 天线可能在非预定的极化上产生不需要的极化分量 例如 水平极化天线 也可能产生垂直极化分量 把这种不需要的极化波就称作交叉极化波 也可做正交极化波 实际通信中 收发天线之间要得到最大功率传输 不仅要求收发天线均与馈线匹配 而且要求收发天线极化方向必须一致 收发天线极化一致也叫做极化匹配 对线极化天线 发射天线用垂直极化 那么接收天线也必须用垂直极化 64 天线的输入阻抗 VSWR 把天线输入端的电压 V 与电流 I 之比定义为天线的输入阻抗 Zin v I由于基站的输出阻抗为50 常用50 同轴电缆连基站与天线 为了实现最佳阻抗匹配 希望天线的输入阻抗为50 纯电阻 但天线的实际阻抗并不完全等于50 且含有电抗分量 工程中常用电压驻波比 VSWR 来表示天线的阻抗特性 如果VSWR 1 则表示完全匹配 即zin 50 65 电压驻波比反应输入到天线的能量的反射 驻波比越大 从天线发射回的能量也越多 天线的输入阻抗 VSWR 66 把天线电参数 如VSWR 增益 方向图等 不超过用所允许值的频率称作天线的工作带宽 工程中 人们习惯把VSWR小于某些给定值的频段定义为天线的工作带宽 例如以VSWR 1 5来定义天线的工作带宽 常用相对带宽 BW 来表征天线的带宽 式中 fh 天线的最高工作频率fl 天线的最低工作频率f0 中心工作频率 天线的工作带宽 BW 67 天线的工作带宽 天线的相对带越宽 制作天线的难度就越大 所以对相对带宽比较宽的天线适当降低对天线VSWR的要求是科学的 也是符合实际的 不要一味地什么天线都追求低的VSWR 因为天线的VSWR 2对用户不会产生大的影响 但却大大增加了天线制造商的困难及成本 68 69 1天线的基本结构及工作原理2天线的输入阻抗3天线的极化方式4天线的辐射方向图5天线的增益6相控阵的基本模型 70 71 反射板 振子 72 发射时 把高频电流转换为电磁波 接收时 把电磁波转换为高频电流 73 74 75 76 77 1天线的基本结构及工作原理2天线的阻抗匹配3天线的极化方式4天线的辐射方向图5天线的增益6相控阵的基本模型 78 无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗 用符号 表示通常 50欧姆馈线特性阻抗与导体直径 导体间距和导体间介质的介电常数有关 与馈线长短 工作频率以及馈线终端所接负载阻抗大小无关 79 天线和馈线的连接端 即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比 称为天线的输入阻抗Z 80 当馈线和天线匹配时 高频能量全部被负载吸收 馈线上只有入射波 没有反射波 而当天线和馈线不匹配时 也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时 负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收 而只能吸收部分能量 入射波的一部分能量反射回来形成反射波 81 当传输线的特性阻抗 天线的输入阻抗 反射系数 1 驻波系数 1 终端负载阻抗和特性阻抗越接近 反射系数越小 驻波系数越接近于 匹配也就越好 82 1天线的基本结构及工作原理2天线的阻抗匹配3天线的极化方式4天线的辐射方向图5天线的增益6相控阵的基本模型 83 天线的极化就是指天线辐射时形成的电场强度