天線基礎(chǔ)知識講座教材

1、天線基礎(chǔ)知識講座教材目 錄一、 天線的基本概念:1) 天線2) 天線作用3) 天線分類4) 電波傳播方式5) 天線的工作原理6) 天線效率7) 天線發(fā)射與接收的方向性二、 汽車天線的基本概念:1) 天線分類2) 天線品種3) 天線接收振子材料的選擇4) 天線振子支撐骨架材料的選擇5) 天線連接線材料及功能的選擇6) 天線設(shè)計(jì)考慮的要點(diǎn)7) 試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)設(shè)備8) 天線及天線放大器的基本結(jié)構(gòu)三、 汽車天線放大器的基本概念:1) 天線放大器的作用2) 天線放大器的工作原理3) 主要指標(biāo)名詞四、 天線放大器的測試:1) 用網(wǎng)絡(luò)分析儀對微波網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)的測量2) 放大器的工作電流3) 放大器頻率測試4

2、) 駐波比5) 電纜線特性阻抗測試6) 電纜線高頻信號衰減7) 互調(diào)強(qiáng)度8) 噪聲電壓9) 電纜線靜電容10) 電纜線導(dǎo)通電阻11) 電纜線絕緣電阻天線基礎(chǔ)知識講座教材一、天線的基本概念:1)天線:天線是指能有效地輻射或接收電磁波,將傳輸線隨時(shí)間變化的電荷或電流激發(fā)出的電磁波可以脫離波源向遠(yuǎn)處傳播出去.電磁波由波源向遠(yuǎn)處傳播出去而不再返回波源的現(xiàn)象.稱電磁輻射.輻射或接收電磁能量的裝置稱為天線.2)天線的作用:各類無線電設(shè)備所執(zhí)行的任務(wù)雖然不同.但天線在設(shè)備中的的作用卻是基本相同的.任何無線電設(shè)備都是通過無線電波來傳遞信息.因此就必須有能輻射或接收電磁波的裝置,所以天線的作用就是起發(fā)射或接收電

3、磁波作用(見圖1)3)天線分類:(1)按用途分類:可分為通信天線、廣播天線、電視天線等。(2)按波段分類:中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等。(3)按結(jié)構(gòu)分類:1.線天線:用直徑遠(yuǎn)小于波長的金屬導(dǎo)線構(gòu)成.常用于長波、中波、短波和超短波等波段(線材、管材)2.面天線用尺寸遠(yuǎn)大于波長的金屬面或介質(zhì)面構(gòu)成.常用于超短波和微波波段.(板材、板面接收、衛(wèi)星接收、電視微波傳輸)序號波段名稱頻段名稱頻率范圍（Hz）波長范圍（m）1極長波極低頻（ELE）3K1052超長波甚低頻（VLF）330K1041053長波低頻（LF）30300K1031044中波中頻（MF）3003000K1021035短波高

4、頻（HF）3-30M101026超短波甚高頻（VHF）30300M1107分米波特高頻（VHF）0.33G110d8厘米波超高頻（SHF）330G110c9毫米波極高頻（EHF）30300G11010亞毫米波超極高頻（SEHF）300400G0.7514) 電波傳播的方式:根據(jù)自然因素對不同頻率無線電波的影響,為了使電磁波達(dá)到有效傳播,采用不同方式進(jìn)行傳輸,工程上主要采用以下方式:(1) 有線傳輸:適用所有波段.(2) 地下波傳播:適用于超長波和長波段,特點(diǎn)是保密性好,用于導(dǎo)彈發(fā)射和指揮,地下探礦等.(3) 地面波傳播:無線電波沿著地球表面?zhèn)鞑?適用于中波段、特點(diǎn)是:傳輸損耗小,作用距離遠(yuǎn),信

5、號穩(wěn)定用于無線廣播.(4) 天波傳播:電離層反射傳播適用于短波和中波段.用于遠(yuǎn)距離廣播通信,船岸向移動(dòng)通信等.特點(diǎn)是:傳輸損耗小、距離遠(yuǎn),但受自然因素影響大.(5) 空間波傳播:地面空間波,適用于超短波和微米波的分米波.用于無線電視和移動(dòng)通信.衛(wèi)星通信中的空間波:適用于厘米波和毫米波.特點(diǎn)是:頻帶寬,用于衛(wèi)星通信和節(jié)目源的傳播.5)天線的工作原理:天線本身是一個(gè)振蕩器.電子和磁子振動(dòng)產(chǎn)生交變電場和磁場,交變的電場或磁場互相轉(zhuǎn)換,形成電磁波以光速向外輻射.天線又是一個(gè)電磁波的換能器件.發(fā)射機(jī)把高頻信號通過發(fā)射機(jī)這種電子系統(tǒng)進(jìn)行高頻放大、調(diào)制、變頻處理最后變成高頻已調(diào)信號通過饋線送到發(fā)射天線。發(fā)射

6、天線以其獨(dú)特的工作方式再將這個(gè)高頻信號已調(diào)電流轉(zhuǎn)換成同頻率的電磁波，以固定方式和固有規(guī)律傳到接收天線。到達(dá)接收天線的高頻已調(diào)波在接收天線的作用下，再把電磁波轉(zhuǎn)換成高頻電流送到收音機(jī)通過收音機(jī)的變頻，解調(diào)放大后送到揚(yáng)聲器。傳播中的高頻電磁波，被接收天線接收。由于磁力線切割天線，就在天線兩端激勵(lì)一定的交變電壓電動(dòng)式。其頻率與發(fā)射頻率相同。接收天線通過饋線與收音機(jī)相連，在收音機(jī)中就可以獲得已調(diào)波信號電流，因此天線就起著接收電磁波能量，并轉(zhuǎn)變成為高頻信號電流能量的作用。無論是發(fā)信天線還是接收天線，它們都屬于能量變換器，同一副天線它即可發(fā)信也可接收信使用，通信設(shè)備一般都收，發(fā)共用一根天線。（如：電臺、手

7、機(jī)等）6)天線效率:衡量一個(gè)天線發(fā)射和接收性能的優(yōu)劣,主要有以下幾個(gè)主要技術(shù)指標(biāo):1.天線材質(zhì):盡量選擇導(dǎo)電性能好、電阻率低的金屬材料.如:銀、銅、鋁、不銹鋼等.2.天線的形狀:為了提高天線的效率,往往在不同波段采用不同形狀的天線LW段(長波)以長線天線為主;MW段(中段)以長線天線和環(huán)狀天線為主;SW段(短波)以長線偶極天線和八木天線為主;FM段(超短波)和V/U波段以八木天線和鞭狀天線為主.800M以上的微波段以極狀天線和拋面天線為主.3.天線長度:當(dāng)天線的有效長度接近其工作頻率半波(1/2波長)的正整數(shù)倍時(shí),天線的效率較高.若這個(gè)倍數(shù)增加時(shí),天線的效率還會進(jìn)一步提高.通常的天線都采用1/

8、4波長或1/2波長的振子長度單位.但波長數(shù)(天線長度)的增加與效率的提高不是成正比關(guān)系.環(huán)型天線的直徑增加時(shí),天線效率會提高.環(huán)型天線的圈數(shù)增加時(shí),天線的效率也會進(jìn)一步提高,拋物面天線的直徑增加時(shí),天線的效率提高會更明顯.那么,什么是最好的天線?天線選擇的法則是:高架天線比低架天線好,大天線比小天線好.8) 天線發(fā)射與接收的方向性:一個(gè)發(fā)信天線向空間各方向輻射能量的強(qiáng)度是不同的.同樣,對于同樣強(qiáng)度的輻射波,收信天線拾取功率的大小也與電磁波的方向有關(guān).對以上圖形,從整體上看,相當(dāng)于一個(gè)花瓣各波瓣大小和方向代表各自方向上輻射能量的相對大小.對一付天線只有一個(gè)最大波瓣,稱其主瓣,代表該天線輻射場的最

9、強(qiáng)輻射方向,比主瓣小的叫旁瓣,與最大輻射方向反向的波瓣為后波瓣.二、汽車天線的基本概念:汽車天線對無線電波的接收主要體現(xiàn)在移動(dòng)中,而根據(jù)汽車野外行駛的特點(diǎn),要求汽車天線要有很強(qiáng)的耐候性、耐用性、安全性、良好的接收性及與整車結(jié)構(gòu)搭配的協(xié)調(diào)性等.1) 天線分類:1.無源天線:頂置式(前置、后置),外露式、內(nèi)藏式(帶屏蔽).2.有源天線:頂置式、窗式(后、側(cè)、前窗),電動(dòng)式.2)天線品種:1.收音機(jī)天線(AM、FM)2.GPS天線衛(wèi)星導(dǎo)航定位.3.GSM天線(移動(dòng)通信、車載電話).4.藍(lán)牙天線:是一種克服由于阻抗不匹配,而影響接收效果近式全方向接收天線.并有藍(lán)牙模塊和一個(gè)接口與天線連接工作.5.TV

10、天線(電視廣播)3)天線接收振子材料的選擇:1.BST(銅)特點(diǎn)是:導(dǎo)通電阻小,接收信號強(qiáng),易加工.缺點(diǎn)是:強(qiáng)度及耐腐性差管狀用于內(nèi)藏拉桿式天線較多.線材廣泛用于各種天線.2.SUS(不銹鋼)特點(diǎn)是:強(qiáng)度好,耐腐性強(qiáng),環(huán)保.缺點(diǎn)是:導(dǎo)通電阻略高于銅材質(zhì),加工難度大,用于內(nèi)藏式拉桿天線及外露式天線較多.3.陶瓷:特點(diǎn)是:在用于高頻信號接收時(shí)噪音干擾小,可用于GPS天線制作.4)天線振子支撐骨架材料的選擇:1.環(huán)氧玻璃鋼:特點(diǎn)是彈性好,刮撞時(shí)不易折斷.天線振子(銅線)可直條式埋伏,也可纏繞在玻璃鋼桿上.用于頂置式天線較多.2.PP(聚丙烯)特點(diǎn)是:韌性好,耐候性強(qiáng). PA(尼龍)用于天線桿支撐體.

11、可用于各種天線.3.擋風(fēng)玻璃:特點(diǎn)是:由于接收天線埋伏在擋風(fēng)玻璃內(nèi)可避免由于刮撞而損傷天線.5)天線連接線材料及功能的選擇:1.連接線的選擇:信號線選用同軸電纜、電源線選擇RV導(dǎo)線.2.內(nèi)芯導(dǎo)體與屏蔽網(wǎng)線選用無氧銅絲.3.內(nèi)芯與屏蔽網(wǎng)之間的介質(zhì)材料一般選用PE(聚乙烯)要求絕緣性能好.4.外護(hù)套材料一般選用PVC(聚氯乙烯)電纜料.5.性能主要指標(biāo):特性阻抗、傳輸損耗等.6)天線設(shè)計(jì)考慮的要點(diǎn):1.信號放大器:天線 放大器 連接線 收音機(jī)的阻抗匹配.放大器安裝的位置,要盡量避開車內(nèi)干擾源.2.頂置天線、外露式天線:天線高度、強(qiáng)度、耐候性、防水性、美觀性系統(tǒng)阻抗匹配等.3.內(nèi)藏式天線:內(nèi)屏蔽、排

12、水順暢、拉撥力、強(qiáng)度及系統(tǒng)阻抗匹配等.4.使用功能:耐低溫存儲性、耐高溫存儲性、濕熱性、溫度變化、防水性、抗太陽輻射性、耐振耐沖擊性、電纜線抗拉強(qiáng)度、接插頭插撥牢固性.5.電氣功能:增益,駐波比,交叉調(diào)制,特性阻抗,頻率范圍,工作電流等.7)試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)設(shè)備:1.試驗(yàn)項(xiàng)目:振動(dòng)試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、溫度交變試驗(yàn)、噴淋試驗(yàn)、防靜電試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)、耐電壓試驗(yàn)、循環(huán)空氣存放試驗(yàn)、電纜線抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、接插頭插撥力試驗(yàn).2.試驗(yàn)、檢驗(yàn)所需主要檢測設(shè)備:矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀、信號發(fā)生器、LCR電橋、電容測試儀、絕緣電阻表、耐壓測試儀、靜電放電發(fā)生器、穩(wěn)壓電源、鹽霧試驗(yàn)箱、高低溫試驗(yàn)箱、振動(dòng)臺、噴淋試驗(yàn)

13、箱、數(shù)顯推拉力計(jì).8)天線及天線放大器的基本結(jié)構(gòu):1.天線的基本結(jié)構(gòu):天線頭、天線桿、合金底板（帶放大器的天線放大器安裝在基座內(nèi)），防水墊、緊固螺母組件、接插器、天線連接線、線夾、插頭組件.2.天線信號放大器的基本結(jié)構(gòu):盒體(塑料、A3板、不銹鋼板、鋅合金).電路板及貼片電子元器件、電感線圈、AM、FM輸入線輸入端子、輸出插座及連接線組件（同軸電纜、信號接插器、插頭）.三、汽車天線放大器的基本概念:1).為增加天線輸入信號,主要承擔(dān)信號的放大阻抗匹配信號衰減(信號場強(qiáng)過于強(qiáng)大時(shí)帶AGC)并將信號轉(zhuǎn)換為收音機(jī)相匹配的射頻信號,通過RF電纜傳送至收音機(jī).2).天線放大器的工作原理:AM信號從放大器

14、的輸入端進(jìn)入低通濾波器進(jìn)行造頻,選擇520KHz1620KHz帶寬的廣播信號后進(jìn)入AM放大器進(jìn)行功率放大后從低通濾波器2輸出.低通濾波器有2個(gè)作用:一是濾波另一個(gè)是阻抗匹配.同理,FM信號從放大器的輸入端進(jìn)入帶通濾波器1進(jìn)行選頻87MHz108MHz帶寬的廣播信號后進(jìn)入衰減器到FM放大器進(jìn)行功率放大,輸出到A點(diǎn)反饋到AGC控制器,當(dāng)達(dá)到起控電平時(shí),控制衰減器衰減信號防止大信號使FM放大器進(jìn)入飽合區(qū),最后從帶通濾波2輸出放大的FM信號.帶通濾波器2的作用和低通濾波器2相同.3).主要指標(biāo)名詞:(1)天線增益:把天線的輻射向某個(gè)方向集中,在這個(gè)方向上天線所產(chǎn)生的場強(qiáng)將會增大,也就是說天線具有增益,

15、通常表示天線的增益采用對數(shù)比值dB表示.天線增益是用來衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號的能力,它是選擇天線最重要的參數(shù)之一.但它與放大器的增益是不同的. (2)駐波比:天線的電壓駐波比是把天線作為無損耗傳輸線的負(fù)載時(shí),在沿傳輸線產(chǎn)生的電壓駐波圖形上,最大值與最小值之比值.只有阻抗完全匹配,才能達(dá)到最大功率傳輸,這在高頻更重要,發(fā)射機(jī),傳輸電纜,天線阻抗都關(guān)系到功率傳輸.駐波比就是表示饋線與天線匹配情形不匹配時(shí),發(fā)射機(jī)發(fā)射的電波將有一部分反射回來.在饋線中產(chǎn)生反射波,反射波到達(dá)發(fā)射機(jī)最終產(chǎn)生熱量消耗掉,接收時(shí),也會因?yàn)椴黄ヅ?造成接收效果不良.(3)特性阻抗:把一定頻率的高頻功率信號饋入到天線的輸

16、入端,天線就會呈現(xiàn)出一定的電阻和電抗稱為天線的特性阻抗.若天線系統(tǒng)的特性阻抗與傳輸系統(tǒng)的特性阻抗相同就稱為阻抗匹配.這時(shí)天線系統(tǒng)的輻射電阻和損耗電阻正好吸收了傳輸系統(tǒng)饋送的全部功率.而如果天線系統(tǒng)與傳輸系統(tǒng)的特性阻抗有差異,系統(tǒng)就不匹配,造成電波從天線系統(tǒng)反射回傳輸系統(tǒng),這部分反射的電波信號由于來回反射被損耗掉,沒有被天線系統(tǒng)輻射出去,無形中使實(shí)際饋送到天線系統(tǒng)的高頻功率信號減少,造成傳輸效率下降.四、天線放大器的測試1)用網(wǎng)絡(luò)分析儀對微波網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)的測量:在頻率較低時(shí),網(wǎng)絡(luò)的特性常用阻抗參數(shù)Z或者導(dǎo)納參數(shù)Y來描述端口特性,這些參數(shù)的定義是基于電壓電流的概念.因而測量時(shí)需要在一定的端口條件下

17、,如開路或短路.測出特定的電壓或電流來確定各個(gè)參數(shù),但在高頻,這種測量方法不再適用.因?yàn)楦哳l下,電壓或電流很難測量,再者,將網(wǎng)絡(luò)端口人為開路或短路有時(shí)是不允許的.例如:某些有源器件,開路或短路容易引起振蕩或損壞器件.兩端口網(wǎng)絡(luò)都可以用4個(gè)S參數(shù)表示其端口特性如圖:DUT表示被測件.a1、a2表示入射波.b1、b2表示出射波.當(dāng)端口1加入入射波a1時(shí),其中一部分由于端口失配而被反射回來成為該端口出射波的一部分,大小為S11a1,a1的其余部分經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)蕉丝?,成為端口2的出射波,其大小為S21a1。同理,端口2加入入射波a2時(shí),其中一部分端口失配而被反射回來成為該端口出射波的一部分大小為S22

18、a2，a2其余部分經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至端口1,成為端口1的出射波,大小為S12a2,把端口1的兩股出射波合在一起用b1表示，端口2的兩股出射波,合在一起用b2表示。b1=S11a1+S12a2b2=S21a1+S22a2其中S11、S21、S22、S12即表示網(wǎng)絡(luò)特性的4個(gè)S參數(shù),稱散射參量.S11、S22是反射參數(shù).S21、S12是傳輸參數(shù).反射參數(shù)有駐波比、反射參數(shù)、阻抗、回波損耗,其表達(dá)式如下:駐波比:SWR=或SWR=反射余數(shù):輸入端:=S11輸出端: =S22阻 抗:輸入端:Z=R+jx=Zo 輸出端:Z= Zo回波損耗:輸入端:RL=20輸出端: RL=20傳輸參數(shù)有增益衰減,傳輸系數(shù),傳

19、輸相移,時(shí)延增益G=20,衰減L=20.傳輸系數(shù)正向T=S21,反向T=S12.傳輸相移E向=arctgS21,反向=arctgS12. 時(shí)延tg=(角頻率)測量先對網(wǎng)絡(luò)儀進(jìn)行校準(zhǔn).頻譜分析儀針對頻域和解調(diào)域的測量.2)放大器工作電流:測試電壓14VDC I= (R 工作時(shí)放大器直流電阻)3)放大器頻率測試:AM調(diào)幅廣播:520KHz1620KHzFM調(diào)頻廣播:87MHz108MHz增益(GAIN)=20S21AM測試根據(jù)用戶的需要是否加入等效天線和阻抗變換器.等效天線 阻抗變換器或并聯(lián)1M電阻. EZ12 1MFM測試:4)駐波比:FM 98MH2MHz時(shí)的值SWR= 網(wǎng)絡(luò)分析儀 放大器輸入

20、端要接50匹配電阻.5)電纜線特性阻抗測試: 在單端口S22.Smith圓圖上測試,它能定量反映阻抗特性和反射特性.傳輸線特性阻抗:Zo=終端有載傳輸線的輸入阻抗:Zin=Zo 終端短路:ZL=0Z(短路)=jZotgd終端開路:ZL=Z(開路)= Z(開路)Z(短路)=jZotgd=ZoZo=6)電纜線高頻信號衰減把100M長的同軸電纜連接在網(wǎng)絡(luò)儀的1端口和2端口.用S21或S12都可以進(jìn)行測試.放幾個(gè)標(biāo)記MarK7)互調(diào)強(qiáng)度:測試頻率:FM:f1 f2 =f1 +1MHz 兩個(gè)基波頻率相差1MHz AM: f1 f2 =f1 +100KHz電子系統(tǒng)中所使用的許多電路都被認(rèn)為是線性電路,只表

21、現(xiàn)出輕微的非線性,可用冪級數(shù)來模擬:Uout=Ko+K1Vin+K2Vin+K3Vin+K4Vin+第一個(gè)系數(shù)Ko代表系統(tǒng)中的直流偏置,第二個(gè)系數(shù)K1是線性電路理論給出的電路增益.K2以上的其余系數(shù)代表電路的非線性特性.若電路是完全線性的,則除K1之外的所有系數(shù)都將為零.忽略K3之后的各項(xiàng).Uout=Ko+K1Vin+K2Vin+K3Vin當(dāng)用雙音頻輸入時(shí): Uin=A1cos1t+A2cos2tUout=Co+C1cos1t+C2cos2t+C3cost1t+ C4cos2t2t+ C5cos31t+ C6cos32t+ C7cos(1t+2t)+ C8cos(1t-2t) + C9cost(21t+2t) + C10cost(2