天線的極化與多工器

1、五、天線的極化一、直線極化 所謂電波的極化是指電場(chǎng)矢量的方向和電波傳播方向間的相對(duì)關(guān)系。電波傳播時(shí)，電場(chǎng)矢量的振動(dòng)總維持其特定的方向，如果在傳播過(guò)程中電場(chǎng)矢量方向維持不變，叫做線極化。通常，在工程上以地表面作為參考面，電場(chǎng)矢量E的方向與地面垂直，這種極化方式，叫做垂直極化。 電場(chǎng)矢量E的方向與地面平行，就叫做水平極化。電場(chǎng)矢量E的方向與地面成一定角度，則仍線極化波，但它既具有水平極化分量，又具有垂直極化分量。 與地面垂直放置的發(fā)射天線發(fā)出的波是垂直極化波，與地面打平放置的發(fā)射天線發(fā)出的波是水平極化波。 由于發(fā)射天線發(fā)出的電波，要經(jīng)過(guò)一段相當(dāng)復(fù)雜的傳播途徑才能到達(dá)接收天線，因此，接收天線處的無(wú)線

2、電波不一定是單一極化特性的電波。例如電視室內(nèi)鞭形接收天線，往往是與地面外交一定角度時(shí)收看的效果為最好。二、圓極化若電場(chǎng)矢量在傳播過(guò)程中不是固定在一個(gè)方向，而是旋轉(zhuǎn)的，則電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)將以等角速度旋轉(zhuǎn)，其軌跡為一個(gè)圓，因此叫做圓極化波。根據(jù)電場(chǎng)矢量的水平分量和垂直分量間的相位差的不同，旋轉(zhuǎn)方向可以是右旋的或左旋的。如果面向電波傳去的方問(wèn)，電場(chǎng)矢量E作順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，稱右旋圓極化波；E作逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，稱左旋圓極化波。 把相位差90°或270°的水平極化波和垂直極化波兩個(gè)波合成可得到圓極化波，見(jiàn)下圖。 設(shè) Ex=EmcostEy=Emsint合成電場(chǎng)是： E=Em=常數(shù)它的方向

3、由下式?jīng)Q定： tg= =tgt 即=t這表示合成電場(chǎng)的大小不隨時(shí)間改變。但方向卻隨時(shí)間改變。合成電場(chǎng)的矢端在一圓上以角速度旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)Ey較Ex滯后90°時(shí)，電場(chǎng)矢量沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)（左旋）；當(dāng)Ey較Ex超前90°時(shí)，電場(chǎng)矢量沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)（右旋）。 更為普遍的情況是，電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)在一橢圓上旋轉(zhuǎn)，這時(shí)就叫做橢圓極化波。實(shí)際上圓極化只是橢圓極化的一個(gè)特例。 使用圓極化波的優(yōu)點(diǎn)是：接收天線的位置在與地平面作任何傾斜、功能等效地進(jìn)行接收，因而天線的位置如傾斜度等易于調(diào)節(jié)，使用圓極化波可改善重影，因?yàn)楫?dāng)圓極化的直射波是右旋時(shí)，電波遇到建筑物產(chǎn)生反射，反射波就變?yōu)樽笮?，利用接收機(jī)的

4、鑒別作用，例如采用右旋圓極化天線接收，則可以達(dá)到改善重影的目的。 在廣播系統(tǒng)中的中波調(diào)幅廣播采用垂直極化波；短波調(diào)幅廣播采用水平極化波。在我國(guó)上世紀(jì),絕大部分調(diào)頻發(fā)射臺(tái)的天線,采用水平極化,很少有采用垂直極化的，但近十年來(lái)大部分都是采用垂直極化.至于圓極化,是上世紀(jì)六十年代發(fā)展起來(lái)的一種極化方式,西半球大多數(shù)廣播電臺(tái)已改用了圓極化天線.實(shí)踐證明,圓極化天線可以使調(diào)頻廣播服務(wù)區(qū)域內(nèi)各種類(lèi)型的接收天線都能良好地接收.但圓極化也有其缺點(diǎn),即在保證相同覆蓋場(chǎng)強(qiáng)的條件下需要增加發(fā)射機(jī)功率,天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較貴.這些缺點(diǎn)與其優(yōu)點(diǎn)相比,就有一個(gè)權(quán)衡. 圓極化天線 六、調(diào)頻多工器 多工器是由三分貝電橋和帶通

5、濾波器組成。我們先講一下三分貝電橋的工作原理： 一、定向耦合器的工作原理定向耦合器是一個(gè)4端口的器件。它是由互相耦合的兩段帶狀線構(gòu)成的。其中，兩段長(zhǎng)度為L(zhǎng)的帶狀線平行放設(shè)，并且擁有一個(gè)公共的外導(dǎo)體，如下圖1所示。在圖1中，若設(shè)端口 1是信號(hào)輸人端，其它端口都終接負(fù)載，并使該系統(tǒng)處于完全匹配狀態(tài)，則這時(shí)可畫(huà)出定向耦合器的工作原理圖來(lái)，如圖2所示。由圖可見(jiàn)，當(dāng)信號(hào)源由帶狀線端口輸入時(shí)，帶狀線14中有交變電流i流過(guò)。這時(shí)，由于二帶狀線（即帶狀線2 3與帶狀線14）互相靠近，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，在帶狀線23中將通過(guò)磁場(chǎng)感應(yīng)出電流i來(lái)（即磁場(chǎng)耦合），其方向如圖中所標(biāo)。同時(shí)，在二帶狀線間又存在著一定電場(chǎng)

6、，它相當(dāng)于是電容Co的耦合，致使帶狀線23中引起電流ic（即電場(chǎng)耦合）。顯然，當(dāng)二帶狀線間的電磁場(chǎng)耦合調(diào)整得合適時(shí)，致使在2端口電場(chǎng)耦合的電流ic與磁場(chǎng)耦合的電流i二者大小相等、方向一致，故在2端口二者相加，得到耦合信號(hào)輸出；而在3端口，ic與i大小相等、方向相反，故在3端口二者互相抵消而無(wú)輸出。由此可見(jiàn)，當(dāng)1端口作為信號(hào)輸入端時(shí)，輸人信號(hào)除有部分直接傳輸至4端口輸出外，還有部分信號(hào)耦合至2端口輸出，而3端口無(wú)輸出。同理，當(dāng)2端口作為輸入端時(shí)，除部分信號(hào)直接傳輸至3端口輸出外，還有部分信號(hào)耦合至1端口輸出，而4端口無(wú)輸出。其余類(lèi)推。顯而易見(jiàn)，由于耦會(huì)輸出具有一定的方向，故稱它為定向耦合器。此外

7、，為了在電路中表示定向耦合器的特性，通常把信號(hào)輸入的端口稱為輸入端；直接傳輸信號(hào)的端口稱為直通端，耦合輸出的端口稱為耦合端，無(wú)輸出的端口稱為隔離端。采用電路符號(hào)來(lái)表示，如圖3所示。用它就可以方便地來(lái)分析定向耦合器的工作情況。二、定向招合器的主要性能指標(biāo) 定向耦合器的主要性能指標(biāo)，常用耦合量和方向性來(lái)表征。其中，耦合量以耦合系數(shù)表示，方向性以定向性系數(shù)表示。（一）耦合系數(shù) 定向耦合器的耦合系數(shù)，通常有電壓耦合系數(shù)與功率耦合系數(shù)之分。其中，電壓耦合系數(shù)（用Cv表示）是指耦合端輸出電壓Uom與輸入端輸入電壓Ui振幅之比，即： Cv=UomUi 而功率耦合系數(shù)（用Cp表示）是指耦合輸出端輸出功率Pom

8、與輸入端輸人功率Pi之比，即： Cp= = Cv2 通常用dB數(shù)表示，即： Cp(dB)=10Lg =20Lg (dB) 由于輸入端的輸人功率總是大于耦合輸出端輸出功率的，所以功率耦合系數(shù)用dB數(shù)來(lái)表示必然為負(fù)值，但在工程中，習(xí)慣上只說(shuō)它的絕對(duì)值，例如3dB定向耦合器，就是指功率耦合系數(shù)用dB數(shù)表示為-3dB，其余類(lèi)推。 （二） 定向性系數(shù) 對(duì)于定向耦合器來(lái)說(shuō)，在理想情況下，當(dāng)輸人端加人信號(hào)時(shí)，除直通端有輸出之外，耦合端也有信號(hào)輸出，而隔離端應(yīng)為零。但是，在實(shí)際工作中，由于結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)不佳，隔離端常有一定的輸出，所以為了能定量衡量這一性能，工程上引入了定向性系數(shù)這一概念。所謂定向性系數(shù)，是指耦合

9、端所得到的功率Pom與隔離端所得到的功率Poo之比，通常用dB數(shù)表示，即：D=10Lg Pom Poo(dB) 由此可見(jiàn)，定向耦合器的定向性系數(shù)dB值越大時(shí)，就表明定向性越好。通常，定向性系數(shù)D=2040dB。三、 三分貝定向耦合器 定向耦合器在工程應(yīng)用中，常分為強(qiáng)定向耦合器和弱定向耦合器兩大類(lèi)。強(qiáng)定向耦合器是指耦合量為3dB（0.5）、4.7dB（13）甚至10dB（110），都屬于強(qiáng)定向耦合器，其耦合線的長(zhǎng)度通常為4，即電角度為90°；弱定向耦合器是指耦合量為2050dB，甚至更弱，都屬于弱定向耦合器，其耦合線長(zhǎng)度通常遠(yuǎn)短于4，電角度有時(shí)僅有10°，甚至更小。對(duì)于強(qiáng)定向

10、耦合器而言，3dB定向耦合器被廣泛應(yīng)用于功率合成與分配的場(chǎng)合，例如雙工器等。就功率合成與分配來(lái)說(shuō)，由于耦合器的=90°，所以當(dāng)1端口作為輸入端，輸人電壓為U1時(shí)；2端口為耦合端，輸出電壓為U2（相位與U1相同）；4端口為直通端，輸出電壓為U4（相位滯后于U190°）；3端口為隔離端，輸出電壓U3=0，如圖4所示。顯然，3dB定向耦合器在理想情況下，輸人和輸出功率間的關(guān)系可由下列各式表示： P 1= P 2= = =Pi P3=0 P4= =Pi 式中，R為各端口所接匹配負(fù)載。由此可見(jiàn)，利用3dB定向耦合器，當(dāng)1端口輸入功率時(shí)，在2端口和4端口將各得到一半輸入功率，即實(shí)現(xiàn)二等

11、功率分配。由于在這種功率分配時(shí)，2端口和4端口所得到的輸出電壓，二者在相位上相差90°，故有時(shí)又稱為90°分配。對(duì)于功率合成來(lái)說(shuō)，利用3dB定向耦合器，將兩個(gè)在相位上差90°的信號(hào)源加在它的對(duì)角線端口上，如圖5所示。這樣，根據(jù)3dB定向耦合器的基本原理可知，對(duì)于加在1端口的信號(hào)電壓U1來(lái)說(shuō),4端口為直通端，輸出電壓為 U1 -j90 ；2端口為耦合端，輸出電壓為 U1 ；3端口為隔離端，理想情況下輸出為零。對(duì)于加在3端口的信號(hào)電壓U2ej90°來(lái)說(shuō)，4端口為耦合端，輸出電壓為 ej90°；2端口為直通端，輸出電壓為 ej180° ；1端口為隔離端，在理想情況下輸出為零。顯然，當(dāng)兩信號(hào)源的電壓，二者振幅相等且相位相差90°，同時(shí)分別加至1端口和3喘口（如圖6中所示）時(shí)，則由上述可知，在2 端口由于兩個(gè)輸出電壓振幅相等、相位相反，故二者相互抵消總輸出為零，而在4端口由于兩個(gè)輸出電壓振幅相等、相位同相，故二者同相相加，總輸出電壓 ej90°（或ej90°）。