1樓:匿名使用者
頻率,增益,角度,前後比,駐波比係數,功率等。
天線的電引數有哪些?
2樓:一尾魚的海
阻抗、頻率範圍、功率容量、增益、駐波比、極化方式。
天線是一種變換器,它把傳輸線上傳播的導行波,變換成在無界媒介(通常是自由空間)中傳播的電磁波,或者進行相反的變換。在無線電裝置中用來發射或接收電磁波的部件。無線電通訊、廣播、電視、雷達、導航、電子對抗、遙感、射電天文等工程系統,凡是利用電磁波來傳遞資訊的,都依靠天線來進行工作。
此外,在用電磁波傳送能量方面,非訊號的能量輻射也需要天線。一般天線都具有可逆性,即同一副天線既可用作發射天線,也可用作接收天線。同一天線作為發射或接收的基本特性引數是相同的。
這就是天線的互易定理。
當導體上通以高頻電流時,在其周圍空間會產生電場 與磁場。按電磁場在空間的分佈特性,可分為近區,中間區, 遠區。設r為空間一點距導體的距離,在 時的區域稱近區,在該區內的電磁場與導體中電流,電壓有緊密的聯絡。
在 的區域稱為遠區,在該區域內電磁場能離開導體向空間傳播,它的變化相對於導體上的電流電壓就要滯後一段時間,此時傳播出去的電磁波已不與導線上的電流、電壓有直接的聯絡了,這區域的電磁場稱為輻射場。
必須指出,當導線的長度 l 遠小於波長 λ 時,輻射很微弱;導線的長度 l 增大到可與波長相比擬時,導線上的電流將大大增加,因而就能形成較強的輻射。
發射天線正是利用輻射場的這種性質,使傳送的訊號經過發射天線後能夠充分地向空間輻射。如何使導體成為一個有效輻射體導系統呢?這裡我們先分析一下傳輸線上的情況,在平行雙線的傳輸線上為了使只有能量的傳輸而沒有輻射,必須保證兩線結構對稱,線上對應點電流大小和方向相反,且兩線間的距離《π。
要使電磁場能有效地輻射出去,就必須破壞傳輸線的這種對稱性,如採用把二導體成一定的角度分開,或是將其中一邊去掉等方法,都能使導體對稱性破壞而產生輻射。
如圖tx,圖中將開路傳輸或距離終端π/4處的導體成直狀分開,此時終端導體上的電流已不是反相而是同相了,從而使該段導體在空間點的輻射場同相迭加,構成一個有效的輻射系統。這就是最簡單,最基本的單元天線,稱為半波對稱振子天線,其特性阻抗為75ω。電磁波從發射天線輻射出來以後,向四面傳播出去,若電磁波傳播的方向上放一對稱振子,則在電磁波的作用下,天線振子上就會產生感應電動勢。
如此時天線與接收裝置相連,則在接收裝置輸入端就會產生高頻電流。這樣天線就起著接收作用並將電磁波轉化為高頻電流,也就是說此時天線起著接收天線的作用,接收效果的好壞除了電波的強弱外還取決於天線的方向性和半邊對稱振子與接收裝置的匹配。
天線方向性
發射天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去,基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向輻射。垂直放置的半波對稱振子具有平放的 「麵包圈」 形的立體方向圖。立體方向圖雖然立體感強,但繪製困難,平面方向圖用來描述天線在某指定平面上的方向性。
影響天線效能的臨界引數有很多,通常在天線設計過程中可以進行調整,如諧振頻率、阻抗、增益、孔徑或輻射方向圖、極化、效率和頻寬等。另外,發射天線還有最大額定功率,而接收天線則有噪聲抑制引數。
1 諧振頻率
「諧振頻率」和「電諧振」與天線的電長度相關。電長度通常是電線物理長度除以自由空間中波傳輸速度與電線中速度之比。天線的電長度通常由波長來表示。
天線一般在某一頻率調諧,並在此諧振頻率為中心的一段頻帶上有效。但其它天線引數(尤其是輻射方向圖和阻抗)隨頻率而變,所以天線的諧振頻率可能僅與這些更重要引數的中心頻率相近。
天線可以在與目標波長成分數關係的長度所對應的頻率下諧振。一些天線設計有多個諧振頻率,另一些則在很寬的頻帶上相對有效。最常見的寬頻天線是對數週期天線,但它的增益相對於窄帶天線則要小很多。
2 增益
「增益」指天線最強輻射方向的天線輻射方向圖強度與參考天線的強度之比取對數。如果參考天線是全向天線,增益的單位為dbi。比如,偶極子天線的增益為2.
14dbi 。偶極子天線也常用作參考天線(這是由於完美全向參考天線無法制造),這種情況下天線的增益以dbd為單位。
天線增益是無源現象,天線並不增加激勵,而是僅僅重新分配而使在某方向上比全向天線輻射更多的能量。如果天線在一些方向上增益為正,由於天線的能量守恆,它在其他方向上的增益則為負。因此,天線所能達到的增益要在天線的覆蓋範圍和它的增益之間達到平衡。
比如,航天器上碟形天線的增益很大,但覆蓋範圍卻很窄,所以它必須精確地指向地球;而廣播發射天線由於需要向各個方向輻射,它的增益就很小。
碟形天線的增益與孔徑(反射區)、天線反射面表面精度,以及發射/接收的頻率成正比。通常來講,孔徑越大增益越大,頻率越高增益也越大,但在較高頻率下表面精度的誤差會導致增益的極大降低。
「孔徑」和「輻射方向圖」與增益緊密相關。孔徑是指在最高增益方向上的「波束」截面形狀,是二維的(有時孔徑表示為近似於該截面的圓的半徑或該波束圓錐所呈的角)。輻射方向圖則是表示增益的三維圖,但通常只考慮輻射方向圖的水平和垂直二維截面。
高增益天線輻射方向圖常伴有「副瓣」。副瓣是指增益中除主瓣(增益最高「波束」)外的波束。副瓣在如雷達等系統需要判定訊號方向的時候,會影響天線質量,由於功率分配副瓣還會使主瓣增益降低。
增益是指:在輸入功率相等的條件下,實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的訊號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。
增益顯然與天線方向圖有密切的關係,方向圖主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。可以這樣來理解增益的物理含義------為在一定的距離上的某點處產生一定大小的訊號,如果用理想的無方向性點源作為發射天線,需要100w的輸入功率,而用增益為 g = 13 db = 20 的某定向天線作為發射天線時,輸入功率只需 100 / 20 = 5w 。換言之,某天線的增益,就其最大輻射方向上的輻射效果來說,與無方向性的理想點源相比,把輸入功率放大的倍數。
半波對稱振子的增益為g=2.15dbi。
4個半波對稱振子沿垂線上下排列,構成一個垂直四元陣,其增益約為g=8.15dbi ( dbi這個單位表示比較物件是各向均勻輻射的理想點源)。
如果以半波對稱振子作比較物件,其增益的單位是dbd。
半波對稱振子的增益為g=0dbd(因為是自己跟自己比,比值為1,取對數得零值。)垂直四元陣,其增益約為g=8.15–2.15=6dbd。
增益特性:
(1)天線是無源器件,不能產生能量,天線增益只是將能量有效集中向某特定的方向輻射或接收電磁波能力。
(2)天線增益由振子疊加而產生,增益越高,天線長度越長。
(3)天線增益越高,方向性越好,能量越集中,波瓣越窄。
3 頻寬
天線的頻寬是指它有效工作的頻率範圍,通常以其諧振頻率為中心。天線頻寬可以通過以下多種技術增大,如使用較粗的金屬線,使用金屬「網籠」來近似更粗的金屬線,尖端變細的天線元件(如饋電喇叭中),以及多天線整合的單一部件,使用特性阻抗來選擇正確的天線。小型天線通常使用方便,但在頻寬、尺寸和效率上有著不可避免的限制。
4 阻抗
「阻抗」類似於光學中的折射率。電波穿行於天線系統不同部分(電臺、饋線、天線、自由空間)是會遇到阻抗差異。在每個介面處,取決於阻抗匹配,電波的部分能量會反射回源,在饋線上形成一定的駐波。
此時電波最大能量與最小能量比值可以測出,稱之為駐波比(swr)。駐波比為1:1是理想情況。
1.5:1的駐波比在能耗較為關鍵的低能應用上被視為臨界值。
而高達6:1的駐波比也可出現在相應的裝置中。極小化各處介面的阻抗差(阻抗匹配)將減小駐波比並極大化天線系統各部分之間的能量傳輸。
天線的復阻抗涉及該天線工作時的電長度。通過調節饋線的阻抗,即將饋線當作阻抗變換器,天線的阻抗可以和饋線和電臺相匹配。更為常見的是使用天線調諧器、巴倫、阻抗變換器、包含電容和電感的匹配網路,或者如伽馬匹配的匹配段。
5 輻射方向圖
半波雙極子天線(同上)增益(dbi)輻射方向圖是天線發射或接受相對場強度的圖形描述。由於天線向三維空間輻射,需要數個圖形來描述。如果天線輻射相對某軸對稱(如雙極子天線、螺旋天線和某些拋物面天線),則只需一張方向圖。
不同的天線**商/使用者對於方向圖有著不同的標準和製圖格式。[2]
6 特性阻抗
無限長傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗,用z0 表示。同軸電纜的特性阻抗的計算公式為
z。=〔60/√εr〕×log ( d/d ) [ 歐]。
式中,d 為同軸電纜外導體銅網內徑; d 為同軸電纜芯線外徑;
εr為導體間絕緣介質的相對介電常數。
通常z0 = 50 歐 ,也有z0 = 75 歐的。
由上式不難看出,饋線特性阻抗只與導體直徑d和d以及導體間介質的介電常數εr有關,而與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負載阻抗無關。
7 衰減係數
訊號在饋線裡傳輸,除有導體的電阻性損耗外,還有絕緣材料的介質損耗。這兩種損耗隨饋線長度的增加和工作頻率的提高而增加。因此,應合理佈局儘量縮短饋線長度。
單位長度產生的損耗的大小用衰減係數 β 表示,其單位為 db / m (分貝/米),電纜技術說明書上的單位大都用 db / 100 m(分貝/百米) .
設輸入到饋線的功率為p1 ,從長度為 l(m )的饋線輸出的功率為p2 ,傳輸損耗tl可表示為:
tl = 10 ×lg ( p1 /p2 ) ( db )
衰減係數為
β = tl / l ( db / m )
例如, nokia 7 / 8英寸低耗電纜, 900mhz 時衰減係數為 β= 4.1 db / 100 m ,也可寫成 β=3 db / 73 m , 也就是說, 頻率為 900mhz 的訊號功率,每經過 73 m 長的這種電纜時,功率要少一半。
而普通的非低耗電纜,例如, syv-9-50-1, 900mhz 時衰減係數為 β = 20.1 db / 100 m ,也可寫成β=3db / 15 m ,也就是說, 頻率為 900mhz 的訊號功率,每經過15 m 長的這種電纜時,功率就要少一半。
8 輸入阻抗
定義:天線輸入端訊號電壓與訊號電流之比,稱為天線的輸入阻抗。 輸入阻抗具有電阻分量 rin 和電抗分量 xin ,即 zin = rin + j xin 。
電抗分量的存在會減少天線從饋線對訊號功率的提取,因此,必須使電抗分量儘可能為零,也就是應儘可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實上,即使是設計、除錯得很好的天線,其輸入阻抗中總還含有一個小的電抗分量值。
輸入阻抗與天線的結構、尺寸以及工作波長有關,半波對稱振子是最重要的基本天線 ,其輸入阻抗為 zin = 73.1+j42.5 (歐) 。
當把其長度縮短(3~5)%時,就可以消除其中的電抗分量,使天線的輸入阻抗為純電阻,此時的輸入阻抗為 zin = 73.1 (歐) ,(標稱 75 歐) 。注意,嚴格的說,純電阻性的天線輸入阻抗只是對點頻而言的。
順便指出,半波折合振子的輸入阻抗為半波對稱振子的四倍,即 zin = 280 (歐) ,(標稱300歐)。
有趣的是,對於任一天線,人們總可通過天線阻抗除錯,在要求的工作頻率範圍內,使輸入阻抗的虛部很小且實部相當接近 50 歐,從而使得天線的輸入阻抗為zin = rin = 50 歐------這是天線能與饋線處於良好的阻抗匹配所必須的。
9 工作頻率
無論是發射天線還是接收天線,它們總是在一定的頻率範圍(頻頻寬度)內工作的,天線的頻頻寬度有兩種不同的定義:
一種是指:在駐波比swr ≤ 1.5 條件下,天線的工作頻頻寬度;
一種是指:天線增益下降 3 分貝範圍內的頻頻寬度。
在行動通訊系統中,通常是按前一種定義的,具體的說,天線的頻頻寬度就是天線的駐波比swr 不超過 1.5 時,天線的工作頻率範圍。
一般說來,在工作頻頻寬度內的各個頻率點上, 天線效能是有差異的,但這種差異造成的效能下降是可以接受的。
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