1、第十五讲微波通信对天线设备的要求矩形波导馈线系统圆波导馈线系统馈线的定义:指连接微波收发信设备与天线的微波传输线和有关的微波器件.分类:同轴电缆型和波导型阻抗变换器 解决微波传输线与微波器件之间匹配的，在通常情况下，同轴传输线的阻抗为75，而与馈线相连的极化分离器和波道滤波器的输入输出阻抗为50。为使其阻抗匹配，需采用阻抗变换器进行匹配。常用的同轴线阻抗变换器有直线渐变式和阶梯式两种。 当内导体外径d固定时，同轴线特性阻抗c与外导体内径成对数正比。因此适当选择外导体的内径，就可以达到阻抗匹配的目的1/4波长的传输线有其特殊性。该传输线的特性阻抗为:oiczzz 1221215075cicooi
2、zzzzzz22111175ccioiczzzzzz12122250cocoiczzzzzz21,cczz21,DD极化分离器 图中为圆波导型极化分离器，其中一端接天线，另一端短路，与馈线相接的两个同轴接口相互垂直，在两接口之间安置有一块金属极化去耦板。在同轴线中传播的电波是横电磁波。其电场方向与同轴线内导体垂直；在圆波导中的电场方向必须与圆波导内壁垂直；当微波信号由同轴线接口激发圆波导时，根据理想金属表面电场分布边界条件，只有垂直分量存在，因此在圆波导内的电场必定与同轴线内导体平行；这样在圆波导上开设的同轴线接口1和2相互垂直，它们产生的电场在圆波导内也必然垂直。 极化分离器中的去耦板是为了
3、进一步减小两不同极化信号之间的相互串扰。极化分离器图中去耦板为水平放置。根据金属的边界条件，由于水平极化波的电场方向与去耦板相平行，因此不能通过去耦板，而垂直极化波则可以通过去耦板。因此发信端口1输出的水平极化信号将被去耦板隔离而不会传到接收端口2，从而进一步提高了收发信号之间的隔离度。p 发信往往接在去耦板与天线之间的端口，即图中的1口，而不接在2口，这是因为发信信号要比收信信号强得多，因此发在1口可以利用去耦板进行阻挡，而起到减小发信信号对收信的干扰；若放置在2则去耦板将起不到阻挡的作用。p 当然若要获得垂直极化的发信信号，而发信仍接在端口1，只需将极化分离器旋转90即可。p 为了消除极化
4、分离器短路侧的反射影响，极化分离器中应使端口2至短路侧的距离为信号中心频率的1/4波长天馈线的安装检查天馈线系统在安装调试时，要严格按照施工调试技术规范进行。因为天馈线系统的安装过程中存在着隐蔽工程，隐蔽工程一旦出现质量隐患，就会为以后的维护留下后患。这一阶段要严格控制安装调试质量，做好以下方面的施工检查工作：1.天线、馈线上铁塔时不能有碰撞，防止受力变形，影响技术性能。2.按施工设计图纸检查天线安装的高度和方位，各安装部件要紧固良好。3.馈线弯曲和扭转时，弯曲半径和扭转角度要符合馈线厂家要求。4.做馈线法兰盘时，要认真仔细，不能将碎铜屑留在馈线波导管内。馈线与天线连接时，接头不能受力，要自然
5、对接。切不可硬靠螺丝强拉硬接，以免馈线或天线馈线源长期受力而损坏。这一环节要防止质量隐患。5.天馈线接地要可靠良好。接地装置与铁塔镀锌件连接必须先镀锡，每条馈线要有三处接地，位置分别为天线背后，馈线上铁塔1米处和馈线进机房前。6.馈线固定要牢固，固定间距不得超出每1.2米固定一次的要求，以防止馈线长期受大风吹刮摆动而损坏。天馈线调试 1.天线方位调整：在发信端送标准电平，反复调整收发天线，使收信电平达到设计要求。2.驻波比(S)：在全频段内，在微波机架顶测天馈线的驻波比不应大于1.15。如不符合指标，要检查天馈线各接头是否匹配良好，馈线弯曲半径、扭转角度是否符合要求。3.交叉极化去耦度(XPD
6、)：这一指标对于同频异极化复用降低交叉极化干扰具有重要作用。测试中若指标不合格可调整收发两站天线馈源的极化方向。4.馈线衰耗：每根馈线衰耗值不能高于设计值。若不合格应检查馈线有无碰撞受力变形，接头是否匹配良好。若施工时环境湿度过大，要检查馈线内是否严重受潮凝水。5.充气气压：充气气压值为1300Kpa，经24小时后不低于1100Kpa。否则要检查天馈线密封是否良好，充气机工作是否正常。天馈线系统故障处理在多波道共用天馈线系统的微波中继通信电路中，天馈线系统故障主要有两个特征。一是，故障时共用天馈线系统的各个波道同时出现相同的故障现象。二是，天馈线系统故障在电路中表现为收信电平下降和电路噪声升高
7、。 常见故障有：天线方位偏移；馈线碰撞变形；密封不严进水；极化去耦度下降等。随着微波通信向无人值守的发展，网管系统对电路中的设备和电路质量等都提供了功能强大的监控管理，可将天馈线系统纳入监控管理。 根据实际需要，在天馈线系统中设置两个监测点。一是充气部分，实现这一点较为容易，因为充气机带有遥信接口可将充气气压变化情况传送到网管系统；二是天线方位，实际维护中这也是较易出故障的部位。可以通过对共用天馈线系统各波道收信电平进行检测，设置收信电平与天线方位对应关系，间接的反映天线方位有关情况。5.3.2 微波天线的技术要求发射天线:把馈线送来的微波信号能量转换为电磁波能量接收天线:把空间电磁波能量转换
8、为电流能量，所以,发射和接收是可逆的物理过程,一个天线既可作为发射天线又可作为接收天线。*天线的电指标1 、天线的方向图绘制方向性函数的曲线图就是天线方向图. max),(),(EEF方向性函数:对于固定的距离,某方向上的电场强度的大小 与最大辐射方向的电场强度 的比值就是方向性函数 ),(E),(FmaxE的关系为辐射场与垂直平面方向图的关系为辐射场与方位角水平平面方向图,工程上常用的方向图是天线在两个主平面内的方向图复合振子单元示意图1平面电单极子 2磁振子 3金属圆盘 A、B、C缝隙 L电单极子的高度侧视图 前视图 调节长度L, 使得磁流和电流之间的相移最佳。 选择槽2和单极子1的几何尺
9、寸来满足电流和磁流矩之间所需的关系。 调节单极子和金属板间的缝隙宽度A、B和C，产生最佳的通频带和强电磁辐射。 复合振子天线单元在两个主平面内对最大值归一化后的辐射方向图 方向图的对称与否是由天线的偏馈结构所决定的,天线的馈源位于天线的下方,因此E面方向图不对称是必然的结果2方向图的波瓣宽度波瓣图:天线的方向图又叫波瓣图.主瓣:最大辐射方向的波瓣后瓣:背向最大辐射方向的波瓣旁瓣(副瓣):其它方向的波瓣 )(lg201dBSLL主瓣最大值副瓣最大值常用指标:主瓣宽度,副瓣电平和后瓣电平主瓣宽度:指在主瓣最大值两侧功率密度等于最大值 的两个方向间的夹角,记为 或也可用主瓣两侧的零辐射方向间的夹角表
10、达主瓣宽度,记为 或 . 2/1dB32dB3202023 副瓣与近场隔离第一副瓣电平:靠近主瓣的副瓣,其最大值与主瓣最大值之比的分贝数.俄罗斯“贝壳”连续波低空补盲雷达一种低空雷达垂直波瓣宽度展宽的方法p有两路独立的收发通道p存在垂直探测波瓣较窄的问题一般,要求副瓣和后瓣尽可能小,用近场隔离度表达,分以下几种情况:n当发射天线和接收天线背对背挂置时,其中发射天线发射的信号能量会被接收天线收到一部分,这部分能量与发射天线发射的总能量之比称为背背隔离度,一般要求在-80dB- -90dB以上.n当发射天线和接收天线肩并肩地挂在一起,接收天线同样会从发射天线发射信号能量中收到一部分能量,这部分能量
11、与发射天线发射的总能量之比称为肩肩隔离度,一般要求在-70dB- -80dB以上n接收天线从正前方接收电磁波的能力与从其后方接收电磁波的能力之比称为前后比,一般要求在50dB以上n双极化天线能同时接收(或发射)两个极化方向互相正交的电磁波.系统对两种极化分量接收量之比(或发射量之比)称为极化隔离度.一般要求极化隔离度在2535dB以上背靠背邻近抛物面天线之间的耦合1.求出由抛物面B的馈源入射并与抛物面B的边缘相切的电场和磁场分量。2. 求出与抛物面A边缘相切的电磁场分量。如利用几何绕射理论3. 确定围绕抛物面A边缘流动的等效边缘电流。4.确定由这些电流在抛物面A焦平面内所建立的场。6.利用功率
12、耦合公式计算由该场耦合到抛物面波导馈源内的功率。可以看出在所有情况下，当它们的间隔增大时天线间的耦合值都是振荡而递减的，改变反射体直径改变反射体直径|00|EErrmPPD4 方向性系数为了对不同天线方向性之间作定量比较,定义方向性系数:当有向天线在主射方向上与无向天线在同一距离处获得相等场强时,无向天线所需的辐射功率与有向天线的辐射功率的比值微波通信所用的抛物面天线的D高达103104inTaPPDPPGEEAAm|00|5 天线效率定义: 天线辐射到外部空间的功率与输入到天线上的功率之比 微波天线的天线效率一般较大,可接近于16 增益定义:有向天线在主射方向与无向天线在同一距离处获得相同的
13、场强下,无向天线的输入功率与有向天线的输入功率之比avreeSPA GAe4242eA7 接收天线的有效面积定义:天线的极化与来波极化完全匹配,以及负载与天线阻抗共轭匹配的最佳状态下,天线在最大方向所接收的功率与入射电磁波能流密度的比与增益的关系:当理想点源的G=1,它的有效面积为inininIUZ cincinZZZZTTT118 输入阻抗定义:端口上的电压和电流的复振幅之比如果天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗不匹配,会在馈线中形成驻波,使馈线功率容量变小,传输效率降低,还会造成通信失真.衡量天线匹配性能用反射系数或驻波比表达.5.3.3 微波通信天线1 抛物面天线组成:辐射源与旋转抛物面特点
14、:利用放置在抛物面焦点处的辐射源发射出的球面波,经抛物面反射后形成一个聚合的波束,并向指定方向辐射电磁波.性质:n任一由焦点发出的射线经过抛物面反射后都与抛物面轴线平行;n垂直于基轴Z的平面就是经抛物面反射后的电磁波的等相位面.A是抛物面的口径面积;F是抛物面的焦点;OFf 是抛物面的焦距;原点O是抛物面的顶点;OZ是抛物面的轴线;02是抛物面的张角;2R0=D0是抛物面口面直径.2200ftgR24AG 003270RdB口径焦距比D0/f或口径张角 的关系:02抛物面天线增益可用天线口径面积A表达为: 式中, 是抛物面天线的口径利用系数,定义为天线有效面积与抛物面天线口径面积的比值,一般只
15、能达到50%-60%抛物面天线的半功率角为:2 卡塞格仑天线工作原理:当辐射器位于旋转双曲面的实焦点O2时,由O2发出的射线经过双曲面反射后的射线,相当于是双曲面的虚焦点直接发射出的射线.因此,只要使双曲面的虚焦点与抛物面的焦点相重合,就可以使副反射面反射到主反射面上的射线被抛物面反射成平面波辐射出去.结构:是从抛物面天线演变而来,用一个新增加的副反射面(旋转双曲面)和一个辐射器代替原来的辐射器. 双曲面的右焦点与抛物面的焦点重合,双曲面焦轴与抛物面的焦轴重合,而辐射源位于双曲面的左焦点.n馈源的辐射方式由抛物面的前馈方式变为后馈方式,使天线结构紧凑,制作较方便.*与抛物面天线的比较:n从馈源
16、辐射看,由于馈源到主反射器的传输距离变长,因此馈源张角可以减小,这对于设计高性能的激励器比较有利.n它可等效为具有长焦距的抛物面天线,这种长焦距可使天线从焦点至口面各点的距离接近常数,因而空间衰耗对辐射器的影响较小,使得天线的效率比标准抛物面天线更高。5.4 收发公用器公用收发天线系统:收发系统都连接到一个天线上.收发公用器分类:1 接受系统和发射系统采用同一频段内的两个不同的波道,用环形器作为收发公用器2 接收系统和发射系统使用不同的频段,用频率分离双工器作为收发公用器.环形器:它使得从发送设备发射得信号进入到天线而不通向接收设备;同样从天线进入的接收信号也只送到接收设备.由于它的隔离性能只有20-30dB,为减小两路系统得串扰,在每路加入以该路频率为中心的带通滤波器.一般采用线性相位滤波器以满足时延特性.频率分离双工器:这个系统不仅有频率复用特性以外,还具有双极化功能。极化器的作用是使两路左旋和右旋圆极化信号变换为两路正交的线极化信号,并通过正交模变换器把两路正交线极化信号分离,送到两部接收机,发射则相反.可同时发射和接收两路。
