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微波通信天线电性能指标的释义

浏览:7961  来源:通信人在线  日期:2018-03-15

微波通信天线同其它通信天线一样,发射天线的功能是把馈线输送过来的微波信号能量转换为电磁波能量,并将其集中在一定的立体角内朝指定方向空间辐射出去。接收天线的功能与发射天线的功能相反,当空间沿某一方向有电波照射天线时,天线导体在外电场作用下激励起感应电动势并在导体表面产生电流,该电流流进天线负载(接收机)使接收机输入回路中产生电流。因此,接收天线是一个把空间电磁波能量转换为电流能量(或传输系统内部能量)的变换装置,其工作过程恰是发射天线的逆过程。因为接收和发射是一对可逆的物理过程,所以一个天线既可作为发射天线又可作为接收天线。收、发天线工作质量的好坏对于通信极为重要。数字微波通信对于天线的电性能有一系列的要求,通常称其为天线的电指标。下面说明这些电指标的含义。

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1、天线的方向图

天线的方向性是指其定向辐射的能力。描述天线方向性的电指标有方向性函数、方向图主瓣宽度、旁瓣(副瓣)电平和方向性系数等。

    天线的方向性函数是指天线辐射场电场强度的相对值与空间方向之间的函数关系。空间方向常用子午角θ和方位角φ来表示。对于固定的距离,某方向上的电场强度的大小Eθφ)与最大辐射方向的电场强度Emax的比值就是方向性函数Fθφ)的计算公式为表1中的式1

1:本文中的所有计算公式及式中参数的含义

把方向性函数绘制成电场强度随角度θφ变化的曲线图就是天线方向图。图1中以极角θ表示空间方向,径向长度表示该方向的相对电场强度(或相对功率密度)。工程上常用的方向图是天线在两个主平面内的方向图,一个是在赤道面(即水平平面)内的方向图,表示辐射场与方位角切的关系;另一个是在子午面(即铅垂平面)内的方向图,表示辐射场与子午角θ的关系。

1:天线方向图

2、方向图的波瓣宽度

天线的方向图一般都呈花瓣状,故方向图常称为波瓣图。包含最大辐射方向的波瓣称主瓣;背向最大辐射方向的波瓣称后瓣;其他方向的波瓣称为副瓣或旁瓣。在微波通信的设计中,常用的指标有主瓣宽度、副瓣电平和后瓣电平。主瓣宽度是指在主瓣最大值两侧功率密度等于最大值一半的两个方向间的夹角,记为3dB3dB。主瓣宽度越小,天线辐射的能量越集中,即定向性能越好。

通常θ3dB的大小可根据天线尺寸D0和波长λ按表1中式2近似公式计算可得。有时也可用主瓣两侧的零辐射方向之间的夹角来表示主瓣宽度,记为00,如图1中所示。

3、副瓣与近场隔离

靠近主瓣的副瓣称为第一副瓣,其最大值与主瓣最大值之比的分贝数称为第一副瓣电平,记为SLL1,即表1中的式3

其他副瓣及后瓣电平的含义与此类同。一般情况下,副瓣与后瓣都是有害的,要求它们尽可能小。在微波通信站上,常常是几个天线挂在同一个铁塔上,而它们的功能却各不相同。由于天线副瓣和后瓣电平的存在,会使这些天线之间发生相互串扰,使通信系统工作不正常。因此,微波通信站上对副瓣和后瓣要求很高,这种要求是用近场隔离度来表示的,并分为背背隔离度(B.B)、肩肩隔离度(S.S)、前后比F/B和极化隔离度,其含义及要求详见下表3

3:微波天线的近场隔离度

4、方向性系数

方向图形象地描绘了天线的方向特性,波瓣宽度在一定程度上半定量地描述了天线集中辐射的能力,但不便于对不同天线方向性之间的定量比较。为了对各种天线的方向性作定量描述,选取无方向性的理想点源作为标准(理想点源在空间各个方向上的辐射都均匀一致),在总辐射功率相同的条件下,天线在其最大辐射方向上的辐射能力比理想点源的辐射能力增强的倍数就称为该天线的方向系数,记为D,即表1中的式4。方向性系数是衡量各种天线方向性的统一的指标,微波通信所使用的抛物面天线的D可高达103~104

5、天线效率

天线的效率ηa定义为:天线辐射到外部空间的功率与输入到天线上的功率之比,即表1中的式5。微波天线的ηa一般较大,可接近于1

6、增益

增益是衡量天线性能的重要指标,它是以天线的输入功率作为计算依据的,故便于测量和计算,工程上经常采用。增益的定义与方向性系数相似,是指输入功率相同的条件下,天线在其最大辐射方向上的辐射能力比理想点源的辐射能力增强的倍数,记为G,即表1中的式6

由此可见,天线的增益是方向性系数和效率的乘积。增益中已经计算天线自身的能耗,故更能代表天线的工作质量。

7、接收天线的有效面积

    接收天线的有效面积Ae定义为:天线的极化与来波极化完全匹配,以及在负载与天线阻抗共扼匹配的最佳状态下,天线在该最大方向上所接收的功率Pre与入射电磁波能流密度Sav之比,即表1中的式7

因此,如果已知来波的能流密度,则天线的接收功率Pre= Ae Sav。可见,有效面积代表天线吸收外来电磁波的能力,换言之,接收天线所接收到的功率可以看成是具有面积为Ae的口面所吸收的入射电波的能流。

所以可以推出,任一接收天线的有效面积Ae与该接收天线的增益G有如下关系:Ae = λ2G/4π

理想点源的G1,故它的有效面积Ae是:Ae0 = λ2/4π

8、输入阻抗

发射天线是馈线的负载,所以它的输入阻抗就是馈线的负载阻抗。天线对于馈线而言可以看成一个二端网络,若端口上的电压和电流的复振幅分别是UinIin,两者之比为从端口向网络里面“看”的阻抗值,即输入阻抗Zin,它的定义是:Zin = Uin /Iin

天线的输入阻抗一般为复数,并且是频率的函数。如果天线的输入阻抗Zin与馈线的特性阻抗ZC不匹配(ZinZC),会在馈线中形成驻波,从而使馈线的功率容量变小,传输效率降低,还会造成通信的失真。因此在设计天线时,应加入阻抗匹配的装置并应选其频率特性较为平坦的区域,以保证天线馈线系统的良好匹配。衡量天线匹配性能用反射系数Γ或驻波比ρ来表示。它们与天线的输入阻抗Zin及馈线的特性阻抗Zc之间的关系是表1中的式8

在数字微波通信系统中,由于对信号在通道内的反射干扰有相当高的要求,因此对天线馈线系统的匹配要求很高,在天线设备的工作频段范围内驻波比应低于1.05~1.25

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