天線的應(yīng)用-通信天線

第6章

其它類型天線及天線在各種系統(tǒng)中的應(yīng)用6.1縫隙天線6.2 微帶天線6.3 智能天線6.4 天線的應(yīng)用天線與電波傳播1北京郵電大學(xué)6.4天線的應(yīng)用6.4.1通信天線1.基站常用天線在移動通信系統(tǒng)中，基站通過無線收發(fā)信機(jī)提供與固定終接設(shè)備和移動終端之間的無線信道，并通過無線信道完成話音呼叫和數(shù)據(jù)的傳遞。天線作為基站至關(guān)重要的組成部分，其性能的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的通信質(zhì)量。天線與電波傳播2北京郵電大學(xué)1)基站對于天線的要求移動通信系統(tǒng)中基站的位置是固定的，服務(wù)對象數(shù)量眾多，為它配置的天線應(yīng)具有高性能和滿足下述要求：(1)為了節(jié)省發(fā)射機(jī)的功率，基站天線應(yīng)具有盡可能高的增益；(2)天線能工作在多個(gè)頻段或具有更寬的帶寬；天線與電波傳播3北京郵電大學(xué)(3)天線輻射方向圖能滿足要求，使基站覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū)；(4)天線與收發(fā)設(shè)備之間具有良好的阻抗匹配；(5)天線的體積盡可能小，結(jié)構(gòu)緊湊。天線與電波傳播4北京郵電大學(xué)基站天線多采用線極化方式。其中單極化天線多采用垂直極化；雙極化天線多采用雙線極化。由于一個(gè)雙極化天線是由極化彼此正交的兩根天線封裝在同一天線罩中組成的，采用雙極化天線可以大大減少天線數(shù)目，簡化天線安裝，降低成本，減少天線占地空間。天線與電波傳播5北京郵電大學(xué)除了滿足一般基站天線的要求外，在移動通信中，基站天線還要求具有上旁瓣抑制和下旁瓣零點(diǎn)填充的特性。前者是為了抑制對鄰近基站的干擾，后者是為了使覆蓋區(qū)內(nèi)接收電平均勻。為了減少對鄰區(qū)的干擾和改善服務(wù)區(qū)的通信質(zhì)量，有時(shí)要求天線的波束要有一定程度的傾斜。天線與電波傳播6北京郵電大學(xué)2)常見的基站天線類型為了提高天線的增益，基站全向天線常采用由天線陣列組成的高增益全向天線。同時(shí)為了減少在無用方向的信號輻射或信號干擾，常采用兩個(gè)（或多個(gè)）直線陣構(gòu)成二維天線陣列，稱之為平面天線。這也是目前移動通信中常采用的天線形式。天線與電波傳播7北京郵電大學(xué)由于頻率資源的限制和增大系統(tǒng)容量的需求，在用戶密集的地區(qū)已很少采用全向天線，而是將小區(qū)劃分為若干個(gè)扇形小區(qū)，扇形小區(qū)內(nèi)采用定向天線。天線與電波傳播8北京郵電大學(xué)常用的移動通信基站定向天線由直線輻射陣列和反射板兩部分構(gòu)成，稱之為板狀天線。反射板的主要功能是用來控制波束寬度，形成不同波瓣寬度的扇形波束。對于直線形的基站天線，反射板截面形狀對基站天線波束的前后比特性和水平面輻射方向圖起著非常重要的作用，而基站天線垂直面方向圖主要通過陣列設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。天線與電波傳播9北京郵電大學(xué)隨著多波束形成、空間分集、智能天線等技術(shù)逐步引入移動通信系統(tǒng)，滿足更高要求的基站天線的設(shè)計(jì)會顯得越來越重要。天線與電波傳播10北京郵電大學(xué)2.終端常用天線移動通信技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，有力地推動了手機(jī)天線向小型化、多頻段、寬頻帶和多用途的方向發(fā)展。常用的手機(jī)天線類型有：單鞭天線、螺旋天線、倒天線、微帶天線及各種小天線組合成的陣列等。根據(jù)所處的位置，手機(jī)天線分為內(nèi)置天線和外置天線兩種。天線與電波傳播11北京郵電大學(xué)1)外置天線外置天線一般為單極天線、螺旋天線或者兩者的變體。優(yōu)點(diǎn)：頻帶寬、接收信號穩(wěn)定、制造簡單缺點(diǎn)：(1)當(dāng)天線靠近人體時(shí)，易受人體電磁場的干擾而導(dǎo)致性能變壞。(2)人體特定吸收比(SAR)偏高，且不宜添加諸如反射層和保護(hù)層等來減少天線對人體的輻射。天線與電波傳播12北京郵電大學(xué)2)內(nèi)置天線內(nèi)置天線具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)易于共形，不易損壞。(2)具有天然的低SAR特點(diǎn)，對人體的輻射小。(3)輸入阻抗可調(diào)節(jié)，無需匹配電路。(4)可以安裝多個(gè)，方便組陣，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)天線的智能化。常用內(nèi)置天線:倒F天線、微帶貼片天線等天線與電波傳播13北京郵電大學(xué)平面倒F天線是目前手機(jī)內(nèi)置天線的主要形式。PlanarInverted-FAntennaPIFA優(yōu)點(diǎn):小型化、低輪廓、成本低、后向輻射小、線極化等天線與電波傳播14北京郵電大學(xué)PIFA的演變1/4波長單極子天線↓倒L天線↓倒F天線↓平面倒F天線天線與電波傳播15北京郵電大學(xué)線形倒天線和平面倒天線的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。圖6.12平面倒天線的基本結(jié)構(gòu)圖6.11線形倒天線的基本結(jié)構(gòu)天線與電波傳播16北京郵電大學(xué)平面倒F天線的輻射機(jī)理可以由線天線推導(dǎo)PIFA的結(jié)構(gòu)可以由常規(guī)的微帶天線加載短路結(jié)構(gòu)得到，其輻射機(jī)理也可以從微帶天線的輻射機(jī)理得到。天線與電波傳播17北京郵電大學(xué)平面倒F天線用平板結(jié)構(gòu)代替倒天線導(dǎo)線部分，相當(dāng)于許多線形天線阻抗的并聯(lián)，使輸入阻抗降低，產(chǎn)生寬頻帶特性，縮小了天線的尺寸；通過多貼片疊加、開槽加載等方法，平面倒F天線可以實(shí)現(xiàn)雙(多)頻特性；平面倒F天線具有水平和垂直極化特性，在極化特性復(fù)雜的環(huán)境中，垂直和水平極化的合成能提供一個(gè)平均效應(yīng)，從而改善了接收效果。天線與電波傳播18北京郵電大學(xué)實(shí)際移動通信系統(tǒng)中，常常需要采用多天線的形式，用以提高終端的可靠性，增加系統(tǒng)容量，改善終端方向性。例如，如果用戶信號和干擾信號有不同的極化方式，終端采用極化分集陣列可以通過與用戶信號的極化匹配或者與干擾信號的極化不匹配來抑制干擾。但由于終端體積的限制，手機(jī)天線的尺寸不能太大，間距有限，天線的數(shù)目通常為2。天線與電波傳播19北京郵電大學(xué)通常采用的多天線形式有兩個(gè)單鞭天線的組合單鞭天線和倒F天線組合螺旋天線和倒F天線組合倒F天線和倒F天線組合微帶天線陣列等陣列天線將會是終端天線形式的一個(gè)主要發(fā)展趨勢。天線與電波傳播20北京郵電大學(xué)3.超寬帶通信天線超寬帶(UltraWideBand，UWB)技術(shù)是在20世紀(jì)90年代以后發(fā)展起來的一種具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ男滦蜔o線通信技術(shù)，它實(shí)現(xiàn)了短距離內(nèi)超寬帶、高速的數(shù)據(jù)傳輸。UWB技術(shù)可以應(yīng)用于個(gè)域網(wǎng)、智能交通系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)、射頻標(biāo)識、成像應(yīng)用等諸多領(lǐng)域。天線與電波傳播21北京郵電大學(xué)超寬帶通信系統(tǒng)是指系統(tǒng)帶寬(10dB帶寬)與系統(tǒng)中心頻率之比大于20%或者系統(tǒng)帶寬大于500MHz的通信系統(tǒng)。UWB通信系統(tǒng)采用美國聯(lián)邦通信委員會FCC開放的3.1～10.6GHz頻段，為避免對其它設(shè)備造成干擾，其發(fā)射功率必須在1mW以下。天線與電波傳播22北京郵電大學(xué)UWB技術(shù)傳輸速率高，功耗低，且信號具有較強(qiáng)的穿透性但傳輸距離較近，在進(jìn)行高速無線通信(速率在100Mbit/s以上)時(shí)，一般有效距離在10m左右。天線與電波傳播23北京郵電大學(xué)1)超寬帶通信系統(tǒng)對于天線的要求超寬帶通信是一種不用載波，而通過對具有很陡上升和下降時(shí)間的脈沖進(jìn)行調(diào)制的通信。作為有效完成極窄時(shí)域脈沖信號輻射和接收的關(guān)鍵性部件，超寬帶天線的性能直接制約著整個(gè)UWB系統(tǒng)的性能。天線與電波傳播24北京郵電大學(xué)在UWB系統(tǒng)中，一定形狀的短脈沖從信號源產(chǎn)生并饋入天線后，要求天線能無失真地將脈沖波形輻射出去，UWB信號頻帶內(nèi)任何一個(gè)頻率的失真都將導(dǎo)致發(fā)射脈沖的形狀失真。應(yīng)具備的特征是：(1)天線的輸入阻抗具有超寬帶特性，即要求天線的輸入阻抗在脈沖能量分布的整個(gè)頻帶上保持一致，以保證信號能量能夠有效地輻射出去，不引起脈沖特性的改變或下降。天線與電波傳播25北京郵電大學(xué)(2)天線的相位中心具有超寬頻帶不變特性，即要求天線的相位中心在脈沖能量分布的整個(gè)頻帶上保持一致。因?yàn)橄辔恢行牡淖兓赡軙?dǎo)致發(fā)射脈沖的失真和接收機(jī)的性能變差。(3)要求天線可以同時(shí)輻射或接收整個(gè)頻帶上所有頻率的信號，并且天線的方向圖要在整個(gè)頻帶上保持較好的一致性。天線與電波傳播26北京郵電大學(xué)總之，從信號輻射的角度來講，就是要求輻射脈沖保持激勵信號形狀，使脈沖失真?。惶炀€輸入端的反射信號要?。辉谝欢ǚ较蛏陷椛湫盘柕姆葢?yīng)盡可能大。天線與電波傳播27北京郵電大學(xué)2)常見的超寬帶天線超寬帶天線與常規(guī)意義上的寬帶天線有著顯著區(qū)別。常規(guī)的寬帶天線大都是非頻變天線，是指天線可以根據(jù)無線系統(tǒng)需要工作在不同頻段，并不是指天線的各個(gè)部分同時(shí)在整個(gè)寬頻段內(nèi)工作。目前超寬帶天線主要有加脊喇叭、TEM喇叭、單極子和偶極子、螺旋天線、雙錐天線、Vivaldi天線等。天線與電波傳播28北京郵電大學(xué)4.衛(wèi)星通信天線衛(wèi)星通信:利用人造地球衛(wèi)星作中繼轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電波，在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行的通信。優(yōu)點(diǎn):覆蓋面廣、通信容量大，距離遠(yuǎn)、不受地理?xiàng)l件限制、穩(wěn)定性高等。目前，衛(wèi)星通信所用的頻段大多是C頻段、Ka頻段和Ku頻段等。天線與電波傳播29北京郵電大學(xué)組成:通信地球站空間分系統(tǒng)跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)監(jiān)控管理分系統(tǒng)天線與電波傳播30北京郵電大學(xué)1）地球站天線系統(tǒng)地球站天線系統(tǒng)由天線、饋源和跟蹤伺服設(shè)備三部分組成，它是通信地球站的重要組成部分，是地球站射頻信號的輸入和輸出通道，也是決定地球站通信質(zhì)量和通信容量的主要設(shè)備之一。天線與電波傳播31北京郵電大學(xué)地球站天線系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，將發(fā)射機(jī)送來的射頻信號變成定向（對準(zhǔn)衛(wèi)星）輻射的電磁波，同時(shí)收集衛(wèi)星發(fā)射來的電磁波，送到接收設(shè)備從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信。天線與電波傳播32北京郵電大學(xué)由于天線的建造費(fèi)用很高，因此對于地球站的天線有如下的性能要求：(1)高的定向增益。天線增益是決定地球站性能的關(guān)鍵參數(shù)，天線必須將信號的能量聚焦成一個(gè)窄波束，以接收來自衛(wèi)星天線或發(fā)射衛(wèi)星天線的信號，提供足夠的上行和下行載波功率。(2)低的噪聲溫度。天線的噪聲溫度一定要低，以使地球站等效噪聲溫度盡量低，減小下行載波帶寬內(nèi)的噪聲功率。天線與電波傳播33北京郵電大學(xué)(3)頻帶寬。由于衛(wèi)星地球站都是進(jìn)行多址連接的，因此要求天線有較大的帶寬。通常要求標(biāo)準(zhǔn)地球站具有500MHz以上的帶寬，在該帶寬內(nèi)，應(yīng)滿足高增益、低噪聲和良好匹配等要求。(4)旋轉(zhuǎn)性好。地球站天線的仰角和方向角，按一般規(guī)定以靜止衛(wèi)星方向?yàn)橹行模炀€可旋轉(zhuǎn)范圍應(yīng)大于10°。大多數(shù)地球站采用反射面天線：喇叭天線、拋物面天線、卡塞格倫天線、格里高利天線、偏置型天線和環(huán)焦天線等。天線與電波傳播34北京郵電大學(xué)2）通信衛(wèi)星天線系統(tǒng)空間分系統(tǒng)是指通信衛(wèi)星，主要由天線分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)、遙測和指令分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)和點(diǎn)源分系統(tǒng)等組成。天線分系統(tǒng)是通信衛(wèi)星有效載荷的一個(gè)重要組成部分，它承擔(dān)了接收上行鏈路信號和發(fā)射下行鏈路信號的雙重任務(wù)。天線與電波傳播35北京郵電大學(xué)衛(wèi)星天線的兩種類型：遙測、遙控和信標(biāo)用高頻或甚高頻天線。它們一般是全向天線，以便可靠地接收指令和向地面發(fā)射遙測數(shù)據(jù)。常用的形式有鞭狀天線、螺旋天線、繞桿式天線和套筒偶極子天線等。通信用微波定向天線。按波束寬度不同可分為：全球波束天線、點(diǎn)波束天線和賦形波束天線。天線與電波傳播36北京郵電大學(xué)(1)全球波束天線對于靜止衛(wèi)星而言，其波束的半功率寬度約為，正好覆蓋衛(wèi)星對地球的整個(gè)視區(qū)。這類天線一般由圓錐喇叭加上的反射板構(gòu)成。(2)點(diǎn)波束天線點(diǎn)波束天線的覆蓋區(qū)面積小，一般為圓形。天線結(jié)構(gòu)通常用前饋拋物面天線，饋源為喇叭，可根據(jù)需要采用直照或偏照。天線與電波傳播37北京郵電大學(xué)(3)賦形波束天線賦形波束天線的覆蓋區(qū)輪廓取決于服務(wù)區(qū)的邊界。為使波束成形，有的是通過修改反射器形狀來實(shí)現(xiàn)，更多的是利用多個(gè)饋源從不同的方向經(jīng)發(fā)射器產(chǎn)生多個(gè)波束的組合來實(shí)現(xiàn)。目前，國內(nèi)大部分衛(wèi)星采用單波束天線。為了提供較高的增益，提高頻率利用率，增加衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量，衛(wèi)星通信系統(tǒng)開始采用多波束天線。天線與電波傳播38北京郵電大學(xué)根據(jù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的不同，多波束天線可分為：反射面、透鏡和陣列賦形波束天線。反射面和透鏡賦形波束天線原理都是把饋源陣列置于反射面或透鏡的焦平面上，通過控制饋源與焦點(diǎn)的相對位置，由偏焦的各個(gè)饋源形成多個(gè)相互覆蓋的點(diǎn)波束，可以對空間區(qū)域?qū)崿F(xiàn)最佳覆蓋。陣列賦形波束天線的原理可以參考本章第一節(jié)介紹的智能天線。天線與電波傳播39北京郵電大學(xué)衛(wèi)星天線除了波束覆蓋區(qū)的形狀和面積應(yīng)滿足整個(gè)系統(tǒng)的需求外，還應(yīng)具備下列條件：(1)具有必要的星上轉(zhuǎn)接功能。(2)足夠的工作頻帶。(3)適當(dāng)極化方式。(4)必要的消旋措施。(5)具有必要的極化隔離能力和不同波束間的隔離能力。天線與電波傳播40北京郵電大學(xué)6.4.2電視天線我國電視廣播所用的頻率范圍為：1-12頻道(VHF頻段48.5-233MHz)；13-68頻道(UHF頻段)。此頻率范圍的電波以空間波傳播方式向四周傳播，電視臺服務(wù)區(qū)域的范圍與天線的高度直接相關(guān)。為了擴(kuò)大電視臺的服務(wù)區(qū)域，發(fā)射天線必須架在高大建筑物的頂端或?qū)Ｓ玫蔫F塔上，這就要求它在結(jié)構(gòu)、防雷等方面滿足一定的要求。天線與電波傳播41北京郵電大學(xué)電視發(fā)射中心一般在城市中央，為了節(jié)省電磁波能量，使電視信號在水平面內(nèi)各方向均勻分布，要求電視發(fā)射天線水平面內(nèi)的方向性圖接近圓形，而在垂直面內(nèi)具有較強(qiáng)的方向性，以使最大輻射方向沿水平方向。為了減小天線受垂直放置的支持物和饋線的影響，同時(shí)減小工業(yè)干擾，我國電視發(fā)射天線采用水平極化。天線與電波傳播42北京郵電大學(xué)由于人的視覺要比聽覺更為靈敏。而且，電視信號既有圖像又有伴音，比語音信號包含更多的信息，所以對電視天線在電氣方面的要求比一般電聲廣播的要求高，因此要求電視發(fā)射天線能在很寬的頻帶內(nèi)滿足對駐波比的要求，使天線與饋電系統(tǒng)處于良好的匹配狀態(tài)。饋電時(shí)應(yīng)考慮主波束下傾及零點(diǎn)填充問題，以使臨近電視發(fā)射臺的部分用戶有良好的接收效果。天線與電波傳播43北京郵電大學(xué)基于上述要求，在VHF和UHF頻段，常用的電視發(fā)射天線有旋轉(zhuǎn)場天線、蝙蝠翼天線和反射板偶極天線陣等。在用戶端，用于接收電視信號的天線有前面介紹過的八木天線、對數(shù)周期天線、形天線和用于接收衛(wèi)星電視信號的反射面天線等。天線與電波傳播44北京郵電大學(xué)6.4.3雷達(dá)天線雷達(dá)是用于檢測和定位反射物體，如飛機(jī)、艦船、航天飛機(jī)、車輛、行人和自然環(huán)境的一種電磁系統(tǒng)，廣泛用于軍事、遙感、飛機(jī)安全與導(dǎo)航、空間和資源探測等領(lǐng)域。天線與電波傳播45北京郵電大學(xué)雷達(dá)的基本原理發(fā)射機(jī)產(chǎn)生電磁信號（如正弦波短脈沖），由天線輻射到空中。發(fā)射的信號一部分被目標(biāo)攔截并向許多方向再輻射。向后再輻射回到雷達(dá)的信號被雷達(dá)天線采集，并送到接收機(jī)。在接收機(jī)中，該信號被處理以檢測目標(biāo)的存在并確定其位置。天線與電波傳播46北京郵電大學(xué)當(dāng)雷達(dá)波形為重復(fù)脈沖序列時(shí)，通常采用一部天線以時(shí)間分割為基礎(chǔ)進(jìn)行發(fā)射和接收。通過測量雷達(dá)信號到目標(biāo)并從目標(biāo)返回雷達(dá)的時(shí)間，得到目標(biāo)的距離。目標(biāo)的角度位置可以根據(jù)收到的回波信號幅度為最大值時(shí)，窄波束寬度雷達(dá)天線所指的方向而確定。天線與電波傳播47北京郵電大學(xué)如果目標(biāo)是運(yùn)動的，由于多普勒效應(yīng)回波信號的頻率會漂移，該頻率漂移與目標(biāo)相對于雷達(dá)的速度成正比，從而確定目標(biāo)的速度。天線與電波傳播48北京郵電大學(xué)雷達(dá)對于天線的要求(1)發(fā)射時(shí)，像探照燈一樣，將輻射能量集中照射目標(biāo)方向(2)接收時(shí)，收集指定方向返回的目標(biāo)微弱回波，在天線接收端產(chǎn)生可檢測的電壓信號，同時(shí)抑制其它方向的雜波或干擾(3)分辨不同目標(biāo)并測試目標(biāo)的距離和回波的方向天線與電波傳播49北京郵電大學(xué)雷達(dá)天線的常見形式反射面天線波導(dǎo)裂縫陣列天線相控陣天線天線與電波傳播50北京郵電大學(xué)反射面天線和陣列天線一樣，都能實(shí)現(xiàn)高增益、低副瓣、在仰角上有寬的覆蓋范圍。它們的區(qū)別在于口面場上的幅、相分布上，面天線是連續(xù)分布的，而陣列天線是離散分布的。相控陣天線可以獨(dú)立控制各個(gè)單元的幅、相實(shí)現(xiàn)電掃描，并能合理分配功率，而面天線不能。天線與電波傳播51北京郵電大學(xué)反射面天線和陣列天線一樣，都能實(shí)現(xiàn)高增益、低副瓣、在仰角上有寬的覆蓋范圍。它們的區(qū)別在于口面場上的幅、相分布上，面天線是連續(xù)分布的，而陣列天線是離散分布的。相控陣天線可以獨(dú)立控制各個(gè)單元的幅、相實(shí)現(xiàn)電掃描，并能合理分配功率，而面天線不能。天線與電波傳播52北京郵電大學(xué)反射面天線反射面天線很早就在雷達(dá)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著相控陣技術(shù)飛速發(fā)展，反射面天線退出了部分領(lǐng)域，但因其固有的低成本、低能耗、不需要復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，沒有柵瓣問題，可以做到寬頻帶，并能方便地實(shí)現(xiàn)圓極化或變極化等優(yōu)點(diǎn)，只要能夠達(dá)到雷達(dá)的總體指標(biāo)要求，反射面天線往往會被優(yōu)先選用。天線與電波傳播53北京郵電大學(xué)隨著用戶對寬帶、超寬帶雷達(dá)和變極化雷