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天線模塊設(shè)備無線通信原理詳解

  一、電磁波產(chǎn)生的基本原理

  按照麥克斯韋電磁場(chǎng)理論,變化的電場(chǎng)在其周圍空間產(chǎn)生變化的磁場(chǎng),而變化的磁場(chǎng)又產(chǎn)生變化的電場(chǎng)。這樣,變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)之間相互依賴,相互激發(fā),交替產(chǎn)生,并以一定速度由近及遠(yuǎn)地在空間輻射出去。

  周期性變化的磁場(chǎng)激發(fā)周期性變化的電場(chǎng),周期性變化的電場(chǎng)激發(fā)周期性變化的磁場(chǎng)。

  電磁波不同于機(jī)械波,它的傳播不需要依賴任何彈性介質(zhì),它只靠“變化電場(chǎng)產(chǎn)生變化磁場(chǎng),變化磁場(chǎng)產(chǎn)生變化電場(chǎng)”的機(jī)理來傳播。

  當(dāng)電磁波頻率較低時(shí),主要籍由有形的導(dǎo)電體才能傳遞;當(dāng)頻率逐漸提高時(shí),電磁波就會(huì)外溢到導(dǎo)體之外,不需要介質(zhì)也能向外傳遞能量,這就是一種輻射。在低頻的電振蕩中,磁電之間的相互變化比較緩慢,其能量幾乎全部反回原電路而沒有能量輻射出去。然而,在高頻率的電振蕩中,磁電互變甚快,能量不可能反回原振蕩電路,于是電能、磁能隨著電場(chǎng)與磁場(chǎng)的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去。

  根據(jù)以上的理論,每一段流過高頻電流的導(dǎo)線都會(huì)有電磁輻射。

  但是他們?cè)诓煌胤叫枰胁煌墓δ?,有的?dǎo)線用作傳輸,就不希望有太多的電磁輻射損耗能量;有的導(dǎo)線用作天線,就希望能盡可能地將能量轉(zhuǎn)化為電磁波發(fā)射出去。于是就有了傳輸線和天線模塊。無論是天線還是傳輸線,都是電磁波理論或麥克斯韋方程在不同情況下的應(yīng)用。

  對(duì)于傳輸線,這種導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能傳遞電磁能量,而不會(huì)向外輻射;對(duì)于天線,這種導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能盡可能將電磁能量傳遞出去。不同形狀、尺寸的導(dǎo)線在發(fā)射和接收某一頻率的無線電信號(hào)時(shí),效率相差很多,因此要取得理想的通信效果,必須采用適當(dāng)?shù)奶炀€才行!研究什么樣結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線能夠?qū)崿F(xiàn)高效的發(fā)射和接收,也就形成了天線這門學(xué)問。

  高頻電磁波在空中傳播,如遇著導(dǎo)體,就會(huì)發(fā)生感應(yīng)作用,在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生高頻電流,使我們可以用導(dǎo)線接收來自遠(yuǎn)處的無線電信號(hào)。

玻璃鋼天線

  二、天線設(shè)備通信原理

  在無線通信系統(tǒng)中,需要將來自發(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波,或者將無線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量,用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的已調(diào)制的高頻電流能量(或?qū)Р芰浚┙?jīng)饋線傳輸?shù)桨l(fā)射天線,通過天線將轉(zhuǎn)換為某種極化的電磁波能量,并向所需方向出去。到達(dá)接收點(diǎn)后,接收天線將來自空間特定方向的某種極化的電磁波能量又轉(zhuǎn)換為已調(diào)制的高頻電流能量,經(jīng)饋線輸送到接收機(jī)輸入端。

  把天線和發(fā)射機(jī)或接收機(jī)連接起來的系統(tǒng)稱為饋線系統(tǒng)。饋線的形式隨頻率的不同而又分為導(dǎo)線傳輸線、同軸線傳輸線、波導(dǎo)或微帶線等。所以,所謂饋線,實(shí)際上就是傳輸線。

  天線模塊的電參數(shù)

  天線模塊的基本功能就是能量轉(zhuǎn)換和定向輻射,所謂天線的電參數(shù),就是能定量表征其能量轉(zhuǎn)換和定向輻射能力的量。

 ?、偬炀€模塊的方向性

  衡量天線將能量向所需方向輻射的能力。

  主瓣寬度:主瓣寬度是衡量天線的最大輻射區(qū)域的程度的物理量。越寬越好。

  旁瓣電平:旁瓣電平是指離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣的電平。實(shí)際上,旁瓣區(qū)是不需要輻射的區(qū)域,所以其電平越低越好。

  方向系數(shù):在離天線某一距離處,天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度與相同輻射功率的理想無方向性天線在同一距離處的輻射功率流密度之比。這是方向性中最重要的指標(biāo),能精確比較不同天線的方向性,表示了天線集束能量的電參數(shù)。

 ?、谔炀€模塊效率

  天線效率定義為天線輻射功率與輸入功率之比。

 ?、厶炀€增益系數(shù)

  天線增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù),它的定義為:方向系數(shù)與天線效率的乘積。

  物理意義:天線的增益系數(shù)描述了天線與理想的無方向性天線相比在最大輻射方向上將輸出功率放大的倍數(shù)。也可以這樣通俗地理解,為定向天線與理想全向天線(其輻射在各方向均等)在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號(hào)之比。

  例:如果用理想的無方向性點(diǎn)源作為發(fā)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(fā)射天線時(shí),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(diǎn)源相比,把輸入功率放大的倍數(shù)。

  ④天線模塊極化方向

  極化特性是指天線在最大輻射方向上電場(chǎng)矢量的方向隨時(shí)間變化的規(guī)律。

  天線模塊極化方向,就是天線電場(chǎng)的方向。天線的極化方式有線極化(水平極化和垂直極化)和圓極化(左旋極化和右旋極化)等方式。

 ?、萏炀€模塊頻帶寬度

  天線的電參數(shù)都與頻率有關(guān),也就是說,上述電參數(shù)都是針對(duì)某一工作頻率設(shè)計(jì)的,當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí),往往要引起天線參數(shù)的變化。當(dāng)工作頻率變化時(shí),天線的有關(guān)電參數(shù)不應(yīng)超出規(guī)定的范圍,這一頻率范圍稱為頻帶寬度,簡(jiǎn)稱為天線的帶寬。

  ⑥天線模塊輸入阻抗

  對(duì)于發(fā)信機(jī)來說,天線是一個(gè)負(fù)載,如何使天線能最多地?cái)z取能量,就要解決一個(gè)匹配總是。只有當(dāng)天線本身的阻抗與發(fā)信機(jī)的阻抗相等是,才能得到最大的發(fā)射功率!

  對(duì)于高頻信號(hào)講,天線是很長(zhǎng)的導(dǎo)線。高頻信號(hào)從饋點(diǎn)流向天線端點(diǎn)以及從端點(diǎn)反射回來所用的時(shí)間,足以引起天線各部分電壓、電流的幅度和相位產(chǎn)生很大的差別,致使天線的長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)以及饋電點(diǎn)的位置不同,呈現(xiàn)的阻抗也不同。如中心饋電的偶極振子,當(dāng)每臂長(zhǎng)度為四分一波長(zhǎng)時(shí),呈現(xiàn)約50至75歐的純電阻,容易做到與饋電電纜及發(fā)信機(jī)直接匹配。

  當(dāng)條件限制,無法將天線的長(zhǎng)度修整到適當(dāng)數(shù)值時(shí),一般應(yīng)在天線電路中附加電感電容等電抗元件抵消天線本身呈現(xiàn)的電抗,有時(shí)還需要加阻抗變壓器將天線阻抗變換到發(fā)信電路的要求值,這些附加元件構(gòu)成的設(shè)備叫“天線調(diào)諧器”或“天線匹配器”。

  三、傳輸線

  傳輸線是用以傳輸微波信息和能量的各種形式的傳輸系統(tǒng)的總稱,傳輸線的作用是引導(dǎo)電磁波沿一定方向傳輸,因此又稱為導(dǎo)波系統(tǒng)。其所引導(dǎo)的電磁波被稱為導(dǎo)行波。

  傳輸線也是一種導(dǎo)體,但是與天線不同,不希望電磁波在這里傳播時(shí)有輻射。所以,用金屬做成的傳輸線的結(jié)構(gòu),是盡量不輻射能量。以最常的同軸線纜為例,中間一根導(dǎo)線,外面還有一圈環(huán)形導(dǎo)線,電磁波就在這樣一個(gè)空間中傳播,而不會(huì)輻射出去。最常用的是TEM波(橫波)傳輸線,主要包括:雙行平等線,同軸線,帶狀線,微帶線等。

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